Photonic integrated ultra-broadband nonlinear optical amplifiers and quantum light sources

PHOTONS-prosjektet fokuserer på utviklingen av fotoniske integrerte kretser som leder lys i stedet for elektroner i miniatyriserte halvlederbrikker. Ved å bruke nye tynnfilm-ferroelektriske materialer som litiumniobat (LN) og litiumtantalat (LT) sammen med avanserte optiske integrasjonsmetoder, har vi som mål å designe og realisere nye, ultra-bredbånd, kompakte og effektive ikke-lineære optiske forsterkere og kvantelyskilder. Vi ønsker å overvinne begrensningene i dagens teknologi ved å utforske nye nanofabrikasjonsteknikker og hybrid laserintegrasjon. Dette vil muliggjøre anvendelser innen optisk kommunikasjon, kvantelyskilder og spektroskopi. Den sterke ikke-lineære optiske responsen (andreordens ikke-linearitet, ?(2)) og de utmerkede egenskapene til LN og LT, som høy effekt toleranse, optisk dobbeltbrytning og spredningskontroll, åpner for nye måter å konvertere, forsterke og behandle et bredt spekter av optiske frekvenser ved å styre lys i optiske bølgeledere. Vi vil utvikle avanserte nanofabrikasjons- og komponentsteknologier for å oppnå kontinuerlig operasjon i ferroelektriske optiske nanobølgeledere. Til nå har slike systemer krevd pulsederende pumplaserkilder, som er uforenlige eller upraktiske for mange virkelige anvendelser, som for eksempel langdistanse optisk datakommunikasjon, hvor kontinuerlig og uavbrutt drift av optiske forsterkere er nødvendig. I tillegg ønsker vi å utnytte de samme materialene og integrasjonsteknologiene for å designe kvantelyskilder gjennom spontan generering av sammenvevdefiltrede fotonpar i den ikke-lineære bølgelederen. Slike kvantelyskilder kan bli viktige drivere for fremtidige teknologier innen optisk metrologi, sensing og medisinsk avbildning.”

The project focuses on developing photonic integrated circuits using thin-film ferroelectric materials like lithium niobate (LN) and lithium tantalate (LT) to create ultra-broadband nonlinear optical amplifiers and quantum light sources. We aim to overcome limitations of current technologies by exploring new nanofabrication methods and hybrid laser integration, enabling applications in optical communication, quantum light sources, and spectroscopy. The strong second-order nonlinearity (?(2)) and excellent damage threshold and optical birefringence and dispersion characteristics of LN and LT opens up the possibility to convert, amplify, and process a wide bandwidth of optical frequencies enabled by advanced dispersion engineering techniques. We will develop advanced nanofabrication technologies and device concepts to achieve continuous-wave operation of ferroelectric optical nanowaveguides that to date require pulsed pump laser sources that are incompatible or impractical with many real-world applications that require continuous-wave operation. Continuous-wave operation, high efficiency and low power operation unlocks the possibility to co-integrate optical pump lasers and optical waveguides using hybrid integration techniques with compact semiconductor light sources. This novel technology and methodology enables to develop novel light sources for classical applications such as optical amplification and quantum applications such as optical squeezing and entanglement.