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Jul 26, 2023

Um divisor não linear ultrarrápido e de alto desempenho baseado em niobato de lítio

12 de agosto de 2022, reportagem de Ingrid Fadelli, Tech Xplore Optics, tecnologias que aproveitam o comportamento e as propriedades da luz, são a base de muitas ferramentas tecnológicas existentes, principalmente a fibra

Recurso de 12 de agosto de 2022

por Ingrid Fadelli, Tech Xplore

A óptica, tecnologias que aproveitam o comportamento e as propriedades da luz, são a base de muitas ferramentas tecnológicas existentes, mais notavelmente sistemas de comunicação por fibra que permitem comunicação de alta velocidade entre dispositivos, de longa e curta distância. Os sinais ópticos possuem alta capacidade de informação e podem ser transmitidos por distâncias maiores.

Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia desenvolveram recentemente um novo dispositivo que poderia ajudar a superar algumas das limitações dos sistemas ópticos existentes. Este dispositivo, apresentado em um artigo publicado na Nature Photonics, é um dispositivo baseado em niobato de lítio que pode alternar pulsos de luz ultracurtos com uma energia de pulso óptico extremamente baixa de dezenas de femtojoules.

“Ao contrário da eletrônica, a óptica ainda carece de eficiência nos componentes necessários para computação e processamento de sinais, o que tem sido uma grande barreira para desbloquear o potencial da óptica para esquemas de computação ultrarrápidos e eficientes”, disse Alireza Marandi, pesquisador principal do estudo, ao Phys.org . "Nas últimas décadas, esforços substanciais foram dedicados ao desenvolvimento de interruptores totalmente ópticos que pudessem enfrentar este desafio, mas a maioria dos projetos energeticamente eficientes sofria de tempos de comutação lentos, principalmente porque usavam ressonadores de alto Q ou portadores- não-linearidades baseadas."

O principal objetivo do estudo recente de Marandi e seus colegas foi aproveitar a não linearidade inerente do niobato de lítio para desenvolver um switch óptico de alto desempenho. Eles queriam que essa mudança fosse ultrarrápida (na faixa de femtossegundos) e operasse no regime de energia ultrabaixa (ou seja, femtojoule).

Ao projetar seu dispositivo, os pesquisadores não integraram nenhum ressonador. Em vez disso, introduziram dois elementos-chave que melhoraram o desempenho de comutação dos seus dispositivos, tanto em termos de consumo de energia como de velocidade.

"Primeiro, utilizamos o confinamento espaço-temporal da luz em guias de nanoondas para melhorar as interações não lineares porque a força dos processos não lineares paramétricos depende da intensidade do pico", disse Marandi. "Esse confinamento espaço-temporal foi possível no niobato de lítio nanaofotônico por causa da seção transversal em nanoescala dos guias de ondas e da possibilidade de engenharia de dispersão, que permite que os pulsos de femtossegundos permaneçam curtos à medida que se propagam através do guia de ondas em nanoescala."

A segunda característica do dispositivo criado por Marandi e seus colegas é que a correspondência quase-fase de suas interações não lineares foi projetada. Mais especificamente, a equipe projetou e alterou a orientação cristalográfica do niobato de lítio ao longo de seus nano-guias de ondas.

"Usamos um padrão periódico com um defeito artificial no meio, que muda deterministicamente o processo não linear da geração de segundo harmônico (SHG) para amplificação paramétrica óptica (OPA)", disse Qiushi Guo, pesquisador de pós-doutorado e principal autor do artigo. explicou. "Ao adicionar um acoplador seletivo de comprimento de onda antes desse defeito, uma vez que os pulsos de entrada de baixa energia não levam a um SHG eficiente na primeira metade do guia de ondas, eles serão eliminados pelo acoplador linear. No entanto, pulsos de alta energia levam a um SHG eficiente antes do acoplador e, portanto, não será descartado pelo acoplador, porque a energia de entrada será armazenada no comprimento de onda do segundo harmônico da entrada. Após o defeito, o processo OPA reverte o sinal para o comprimento de onda de entrada.

Nas avaliações iniciais, os pesquisadores descobriram que seu design permitia a comutação totalmente óptica ultrarrápida, consumindo apenas femtojoules de energia. Especificamente, seu dispositivo alcançou energias de comutação ultrabaixas de até 80 fJ, apresentando um tempo de comutação mais rápido de ~ 46 fs e um produto energia-tempo mais baixo de 3,7 × 10-27 J s em fotônica integrada.