Neue Chip-Photonik-Schaltkreise zur Umwandlung eines einzelnen Laserstrahls in viele verschiedene neue Strahlen

Die genaue Formung und Steuerung sichtbarer Lichtstrahlen ist von entscheidender Bedeutung für die Diagnose und Untersuchung menschlicher Krankheiten und die Erfassung der Atome, die die Grundlage der genauesten Uhren der Welt, des Quantencomputings und vieler anderer Quantentechnologien bilden.
Kürzlich haben Forscher am National Institute of Standards and Technology (NIST) den Entwurf eines photonischen Schaltkreises auf einem Chip angekündigt, der einen einzelnen einfallenden Laserstrahl in eine Reihe neuer Strahlen umwandeln und jedem Strahl unterschiedliche optische Eigenschaften verleihen kann.

Dem Bericht zufolge behalten die neu erzeugten Strahlen die Frequenz des ursprünglichen Strahls bei, während sie den Schaltkreis an verschiedenen Stellen auf dem Chip verlassen. Dadurch können Wissenschaftler und Ingenieure die spezifischen Eigenschaften eines oder mehrerer Träger für eine bestimmte Anwendung auswählen.
Wenn der Strahl in den photonischen Chip eintritt, wird er auf einen Bereich geleitet, wo ein Strahlteiler die Lichtwelle in zwei Teile teilt. An jedem Ort verändert eine dünne, käseähnliche Schicht aus Tantalpentoxid viele Eigenschaften der Lichtwelle, einschließlich ihrer Phase und Polarisation.
Dies erfordert jedoch in der Regel sperrige Optiken, die viel Platz im Labor beanspruchen. Das vom NIST entwickelte neue Gerät könnte letztendlich den Bedarf an solchen Optiken überflüssig machen und dazu beitragen, die neueste Generation von Atomuhren und anderen Geräten so zu miniaturisieren, dass sie es tatsächlich können gebraucht. Kleine, tragbare optische Atomuhren könnten Navigationssysteme erheblich verbessern, insbesondere unter Wasser, wo kein GPS verfügbar ist.
Hochpräzise CNC-polierte asphärische Linsen
Die meisten Methoden zum Formen und Lenken von Licht auf einem Chip, einschließlich derer, die Hyperflächen verwenden, beinhalten typischerweise die Umwandlung eines einzelnen Lichtstrahls mit einem Satz von Eigenschaften in einen einzelnen Lichtstrahl mit einem anderen Satz unterschiedlicher Eigenschaften.
Im Gegensatz dazu, sagt NIST-Forscherin Grisha Spektor, kann ihr Gerät aus einem einzigen Eingangsstrahl eine große Anzahl geformter Strahlen erzeugen. Die Forscher benötigen mehrere Laserstrahlen, die gleichzeitig aus verschiedenen Richtungen auf die Atomwolke schießen, um die Wolke einzufangen und abzukühlen, damit sie als Grundlage für eine Atomuhr verwendet werden kann. Die neueste Generation optischer Atomuhren, die voraussichtlich zum neuen internationalen Standard für die Definition der Sekunde werden, benötigen typischerweise sechs Laserstrahlen.
Die Schaltung erzeugt diese Strahlen innerhalb einer ultradünnen 150-Nanometer dicken Schicht aus Tantalpentoxid. Tantalpentoxid, das typischerweise in optischen Beschichtungen verwendet wird, hat einen hohen Brechungsindex und ist nahezu vollständig transparent.
Mithilfe von Computeralgorithmen prägten Grisha Spektor und seine Kollegen die Tantalpentoxidschicht mit einem käseähnlichen Muster ein, um mehrere Strahlen mit jeweils unterschiedlichen Eigenschaften zu erzeugen. Grisha Spektor sagt, dass dies der Fall sein kann, weil der photonische Schaltkreis aus einer einzigen Materialschicht besteht relativ einfach herzustellen und bei Bedarf auf größere Größen zu skalieren.
Die Ergebnisse zeigen, dass der Laserstrahl durch einen Kanal in den Chip gelangt, der das Licht an verschiedene Stellen innerhalb des Chips lenkt. An jedem Ort wird der optische Fluss in zwei Teile geteilt. Die Struktur von Tantalpentoxid verleiht jedem Strom eine andere Phase – die Position der Lichtwelle in ihren Spitzen- und Tiefstzyklen.