Tilbake til søkeresultatene

FRINATEK-Fri prosj.st. mat.,naturv.,tek

Integrated III-V Semiconductor Frequency Comb on a Chip

Alternativ tittel: Integrerte III-V Halvledere Frekvens-Kam på en Brikke

Tildelt: kr 3,9 mill.

Lyspærer sender ut hvitt lys, som inkluderer det fulle spekteret av synlig lys fra 380 til 740 nanometer. I kontrast sender lasere ut en enkelt bølgelengde, noe som resulterer i et smalt spekter av lys. Men en ny type laserkilde kalt frekvenskam har dukket opp, som sender ut flere lysfrekvenser som er jevnt fordelt i frekvensspekteret. Denne egenskapen gjør at frekvenskammer dekker et bredt spekter, noe som gjør dem svært verdifulle innen områder som metrologi, presisjonsspektroskopi, astronomiske observasjoner, ultrarask optikk og kvante-informasjonsteknologi. Vekten av en molekylforbindelse påvirker dens intramolekylære vibrasjonsfrekvens. Tunge forbindelser vibrerer på lavere frekvenser. Det langbølge infrarøde (LWIR) spekteret, som strekker seg fra 6 til 14 mikrometer, rommer distinkte molekylære fingeravtrykk. Disse fingeravtrykkene er anvendelige i molekylsensorer for helseovervåking, produksjonskontroll og miljøobservasjon. Hvis vi kunne få tilgang til en bredbåndsfrekvenskam i LWIR, kunne vi identifisere en mengde molekyler i sanntid. Dette banebrytende gjennombruddet åpner døren til en rekke muligheter for molekylær analyse. I vårt prosjekt har vi gjort et bemerkelsesverdig gjennombrudd i LWIR ved å utvikle en optisk mikroresonator med lavest optisk tap 0.5 dB/cm og høyest kvalitetsfaktor 250,000 . Vi har oppnådd en forbedring på to størrelsesordener sammenlignet med tidligere studier. Kvalitetsfaktoren er et mål på resonatorens evne til effektivt å lagre og opprettholde lysenergi. En høyere kvalitetsfaktor tilsvarer en lavere terskel for generering av frekvenskam. Faktisk er terskelen for generering av frekvenskam omvendt proporsjonal med kvadratet av kvalitetsfaktoren (Q kvadrert). Ved å oppnå en så utrolig høy kvalitetsfaktor , har vi drastisk redusert terskelen for å generere en bredbåndsfrekvenskam. Vår prestasjon i denne forbindelse har blitt komplementert av den vellykkede simuleringen av frekvenskam-genereringsprosessen ved å bruke Lugiato-Lefever ligningen. For å ytterligere styrke stabiliteten og påliteligheten til vår optiske plattform og oppnå robust generering av frekvenskam, har vi benyttet heterogene integrasjonsteknikker. Ved å integrere forskjellige materialer, har vi lykkes i å skape en naturlig germanium (Ge) bølgeleder på et zinc selenide (ZnSe) substrat. Denne Ge-bølgelederen viser et imponerende lavt optisk tap, målt så lavt som 1/cm ved 8 mikrometer. I tillegg tilbyr den et bredbåndstransparensvindu fra 2 til 14 mikrometer. Denne innovative Ge på ZnSe-plattformen har et enormt potensial for integrert LWIR-fotonikk, analogt med den mye brukte silisium (Si) på isolatorplattform som brukes i nær infra-rødt lys. Vi forutser betydelige bidrag og fremskritt gjennom bruken av denne plattformen. Ved å utnytte de eksepsjonelle egenskapene til frekvenskammer og dra nytte av resultatene våre i LWIR optisk mikroresonator og Ge på ZnSe-plattform, flytter vi frontgrensene for vitenskapelig forskning og teknologiske applikasjoner i forskjellige domener, som igjen fører til en mer omfattende forståelse av verden rundt oss.

We have achieved the below milestones for longwave infrared (LWIR) photonics: 1. developed an ultralow loss microresonator in the LWIR using native Ge. The microresonator shows two orders of magnitude improvement in the quality factor, which corresponds to an optical loss of 0.5dB/cm. 2. we have successfully simulated the frequency comb generation from our Ge microresonator using Lugiato–Lefever equation. 3. we have developed a novel Ge on ZnSe platform for fully integrated LWIR photonics. This will provide a robust platform to achieve LWIR frequency comb.

We propose to realize the generation of frequency combs using diode lasers and quantum cascade lasers (QCLs) at mid-infrared (MIR) and long-wavelength infrared (LWIR) wavelengths, respectively. Since Ge is transparent at both MIR and LWIR wavelengths, we will utilize a heterogeneous wafer bonding technique to monolithically integrate Ge on top of laser structures. The etching process will be optimized to minimize the waveguide loss, and group velocity engineering will be applied to achieve zero group velocity dispersion at both MIR and LWIR by adjusting the aspect ratio and geometry of the waveguide. For the most challenging LWIR wavelengths, we will maximize the Kerr nonlinearity of the waveguide and utilize coupled-waveguides for dispersion compensation to achieve zero group velocity dispersion. By achieving the frequency comb generation using diode lasers and QCLs, demonstration experiments will be carried out to quantify the composition of a gas mixture at MIR wavelength and to detect DMMP molecules with its concentration under 0.5 ppb in air. These will allow us to achieve a frequency comb platform at both MIR and LWIR that ushers in an era of on-chip applications in ultra-sensitive sensing technologies, which will benefit a variety of subjects. These include bio-medical and environmental sensing, screening, imaging, astronomical exploration, and more.

Budsjettformål:

FRINATEK-Fri prosj.st. mat.,naturv.,tek