Project

Een nieuwe methode voor het genereren on-chip optische frequentiekamlaser: mechanische Kerr lineariteit

Looptijd
01-01-2013 → 31-12-2016
Financiering
Gewestelijke en gemeenschapsmiddelen: IWT/VLAIO
Onderzoeksdisciplines
  • Engineering and technology
    • Computer hardware
    • Computer theory
    • Scientific computing
    • Other computer engineering, information technology and mathematical engineering
Trefwoorden
Kerr nonlineariteit fotonica fononen
 
Projectomschrijving

DE WETENSCHAP van het licht tracht fotonen te manipuleren. Dit is met groot succes gelukt de voorbije decennia: fotonen zijn ideale informatiedragers gegeven hun laag propagatieverlies en hoge bandbreedte [1–3]. Daarom zijn ze nu al dominant wat lange-afstand communicatie betreft; ze versturen data aan steeds toenemende snelheden onder de oceaan. Sinds kort neemt fotonica ook chip-tot-chip communicatie over [4], waarbij het enkele belangrijke problemen –zoals warmtegeneratie en signaalvervorming [1, 2] –geassocieerd met elektronica oplost. Vandaar ontstond er een grote motivatie voor de ontwikkeling van fotonische circuits op de nanoschaal, de wet van Moore achterna [5]. Moderne optische golfgeleiders sluiten licht op in een gebied kleiner dan 0.1 mm2 en kunnen gemaakt worden van het alomtegenwoordige materiaal silicium, wat massaal gebruikt wordt in de bestaande halfgeleiderindustrie. Dit leidt tot de natuurlijke vraag of optica ook bepaalde bewerkingen kan uitvoeren [6, 7], wat vereist dat sommige fotonen de stroom van andere kunnen controleren [8]. De grote uitdaging bestaat uit het versterken van de typisch zwakke interacties tussen fotonen. Specifiek, foton-foton koppeling is verwaarloosbaar in vacuüm [9, 10], zodat het gebruik van intermediaire materiaalexcitaties de enige realistische route is om dit te doen. Aldus ontstond er een grote beweging richting het versterken van interactie tussen licht en materie, van het gebruik van het Kerr [11–14], Raman [15–17], vrije ladingsdrager [18, 19] en thermisch [20, 21] effect tot cavity QED [22, 23]. Hoewel ze nu reeds radiosignalen filteren in elke smartphone en laptop [24, 25], verschenen mechanische systemen pas in de fotonica wereld een decennium geleden. Initieel werden vooral megahertz vibraties opgewekt en uitgemeten in microtoroïdes [26], siliciumbalken [27–29] en nitride disks [30]. Zulke laagfrequente oscillatoren genereren niet-lineariteiten die grootteordes sterker zijn dan intrinsieke materiaaleffecten [31, 32]. Maar het is wenselijk om de mechanische frequenties te verhogen tot in het gigahertz gebied. Dit geeft hen toegang tot toepassingen in de bewerking van microgolven [33, 34] en laat hen sneller data behandelen. In dit werk realiseren we een efficiënte en sterk maakbare optische nietlineariteit via gigahertz fononen. De niet-lineariteit wordt vaak gestimuleerde Brillouin verstrooiing (SBS) genoemd. Verder leggen we de focus op golfgeleixiders die zowel licht als geluid opsluiten, zodat hun interactie kan opbouwen over vele diffractielengtes. Deze golfgeleiders zijn optisch breedbanding in de zin dat de frequentie van de pomplaser vrij is binnen een bereik van circa 10 THz. We worden echter geconfronteerd met stijve gigahertz mechanica, waarbij verplaatsingen onder een picometer liggen. Daarnaast verliezen we ook op vlak van de efficiëntie geassocieerd met optische caviteiten [35]. Vooreerst onderzoeken we theoretisch de fysica van foton-fonon interacties in zowel golfgeleiders als caviteiten (fig.1). Het blijkt dat conventionele veronderstellingen niet meer gerechtvaardigd zijn in bestaande systemen. Traditioneel propageren fotonen verder dan fononen en wordt hun koppeling overspoeld door de propagatieverliezen. Dit geval leidt tot versterking van een optische probe die roodverschoven is ten opzichte van een sterke optische pomp; de klassieke Brillouin versterking [36, 37]. Als de interactie daarentegen sterker is dan de propagatieverliezen, kunnen fotonen worden geconverteerd in fononen, terug in fotonen, terug in fononen, etc. terwijl ze langsheen de golfgeleider vliegen. Dit noemen we spatiale sterke koppeling, naar analogie met hoofdthema’ in andere takken van de fysica zoals cavity QED. Vervolgens produceert een gemiddeldeveld overgang de dynamica van hogefinesse caviteiten vertrekkende van die van golfgeleiders. Dit bewijst een verband tussen twee bekende parameters: de Brillouin versterkingsparameter [36, 37] en de vacuüm optomechanische koppelingssterkte [35]. Het verband verduidelijkt de samenhang tussen effecten zoals Brillouin versterking, koeling naar de grondtoestand [38], geïnduceerde transparantie [39], het optische veer effect [40] en traag licht geïnduceerd door geluid [41]. Tegelijk plaatst het diverse systemen –zoals Brillouin vezel lasers, microtoroïdes, plasmonische Ramancaviteiten en silicium golfgeleiders –in een bredere theorie van foton-fonon koppeling. Deze ideëen, geïnspireerd door symmetrie, kunnen resulteren in optische controle over geluid en warmte [42]. Vervolgens realiseren we experimenten op nanoschaal silicium-op-isolator golfgeleiders. Deze hoge-index-contrast golfgeleiders sluiten 193 THz licht sterk op via totale interne reflectie. Geluid beweegt daarentegen sneller in de siliciumkern dan in het siliciumdioxide substraat, wat akoestische opsluiting door middel van interne reflectie verbiedt. We vangen daarom fononen door het oxide substraat zo veel mogelijk te verwijderen. Daarbij gebruiken we het grote verschil in akoestische impedantie tussen de siliciumkern en de omringende lucht. Daarbovenop verenigen we de akoestische opsluiting met centimeterschaal interactielengtes door nog steeds een kleine oxide pilaar achter te laten (fig.2). Dit compromis tussen akoestische opsluiting en interactielengte leidt tot de eerste waarneming van Brillouin verstrooiing in silicium nanodraden. Verder tonen we in een reeks experimenten (fig.3) aan dat het Brillouin effect nu de sterkste derde-orde niet-lineariteit is van deze golfgeleiders: het samendrukken van zowel licht als geluid tot de 0.1 mm2 kern leidt tot een uitermate efficiënt proces. Specifiek observeren we een Fabry-Pérot-achtige akoestische mode bij 9.2GHz die goed overlapt met de fundamentele quasi- TE optische mode bij 193 THz. Het is opvallend dat zowel licht als geluid een golflengte van ongeveer 1 mm hebben bij deze frequenties, wat gerelateerd is aan de goede overlap (fig.2d). Het versterkingsexperiment toont tot 175% aan/af Brillouin versterking aan, wat een eerder experiment [43] in silicium/nitride golfgeleiders met een factor 19 verbetert. Onze millimeterlange golfgeleiders zijn in feite transparent in een band van 35 MHz. Het vierbundelmenging experiment ontdekt dat de Brillouin niet-lineariteit 2.5 keer sterker is dan het Kerr effect (fig.3c-d), in overeenstemming met het versterkingsexperiment. Deze golfgeleiders hebben akoestische kwaliteitsfactoren en gain parameters tot 306 en 3218W 1m 1. Vervolgens bestuderen we een reeks volledig vrijhangende siliciumdraden om de akoestische levensduur te vergroten (fig.4). Dit versterkt de kwaliteitsfactoren en gain parameters tot 1010 en 104W 1m 1, de hoogste tot dusver in het gigahertzdomein. De Brillouin versterking overtreft nu de propagatieverliezen in de korte draden (fig.5). De netto versterking is gelimiteerd tot 0.5 dB door (1) het beschikbare pompvermogen (we zagen geen niet-lineaire absorptie), (2) de hogere propagatieverliezen na ophanging en (3) inhomogene verbreding van de akoestische resonantie. We observeren met name lijnverbreding van ongeveer 9.2MHz voor 6 ophangingen tot meer dan 20MHz voor 66 ophangingen. De verbreding wordt wellicht veroorzaakt door fluctuaties in de breedte van de golfgeleider, die de akoestische resonantiefrequentie moduleren langsheen de draden. Naast betere fabricage stellen we voor om dit effect uit te schakelen via de indirecte gevoeligheid van de mechanica aan de optische dispersie. In een poging om nog sterkere licht-geluid koppeling op te zetten, simuleren we ten slotte nauwe silicium slotgolfgeleiders (fig.6). Een horizontale slot is aantrekkelijk, vermits die zowel (1) de fabricage van willekeurig kleine slots als (2) het efficiënt opwekken van de fundamentele buigmode toelaat. De simulatie schat dat gain parameters voorbij 105W 1m 1 beschikbaar zijn in 5nm slots, meer dan een grootteorde boven de resultaten in alleenstaande siliciumdraden. Het valt nog af te wachten hoe groot de optische absorptie zou zijn in deze structuren. Dit gebied ligt wijd open. Op slechts enkele jaren was het getuige van grootteorde performantieverbeteringen en een opmerkelijke explosie aan invalshoeken. Naast hun duidelijke toepassingen in microgolf fotonica kunnen deze golfgeleiders andere dringende problemen helpen oplossen. In het bijzonder wordt het streven naar Moore’ wet in de originele betekenis mogelijks binnenkort opgegeven [5]. De limieten van computers [44] motiveren reeds vandaag onderzoek naar steeds diversere technologieën, van millivolt schakelaars [45, 46] tot reversibele [47, 48] en kwantumcomputers [49,50]. Fononen zijn misschien geen ideale informatiedragers, maar ze hebben zeker interessante eigenschappen als interfaces tussen fotonen, plasmonen [51], magnonen [52], excitonen [53] en andere deeltjes [54].