Grafen pomaga w przeniesieniu paradygmatu w przypadku nieliniowych fotonicznych obwodów scalonych
Utworzenie czipa fotonicznego umożliwiającego generowanie szerokopasmowego światła średniej podczerwieni (MIR) przy jednoczesnym pompowaniu przez niewielkich rozmiarów przenośny laser MIR może być pomocne w przypadku zastosowań od nieinwazyjnej diagnostyki medycznej, aż po optyczne badanie bezpieczeństwa stosowania wody. Jednakże obecnie stosowane scalone generowanie szerokopasmowego światła w zakresie średniej podczerwieni (MIR) wymaga zwykle zastosowania laserów pompujących o dużych rozmiarach i niepraktycznych do powszechnego zastosowania. W ramach sfinansowanego ze środków UE projekt GRAPHENICS (Graphene-enabled on-chip supercontinuum light sources) zaprezentowano światła w zakresie średniej podczerwieni (MIR) na fotonowych prowadnicach światłowodowych z silikonu pokrytego grafenem pompowanych przez opracowany wewnętrznie małej wielkości laser światłowodowy z emisją fal promieniowania MIR o długości znacznie przekraczającej 2 mikrony. Ta przełomowa innowacja zapewnia podstawy dla nieliniowych fotonowych obwodów scalonych opartych na silikonie pokrytym grafenem, a także toruje drogę dla wykorzystania scalonych źródeł światła superkontinuum MIR do codziennych zastosowań. Połączenie lasera pompującego z czipem pokrytym grafenem Generowanie spektralnie szerokopasmowego światła nazywane też „generowaniem superkontinuum” opiera się na nieliniowym fenomenie optycznym, takim jak samomodulacja fazy (SPM). Jedną z definiujących cech SPM stanowi fakt, że fala świetlna w rzeczywistości zmienia właściwości materiału nośnika, w którym jest przenoszona. Tego rodzaju modyfikację wykazuje szeroki zakres materiałów, jednak jest szczególnie silna w przypadku dwuwymiarowego materiału grafenowego pod warunkiem odpowiedniego wykorzystania. Poszerzanie linii spektralnych MIR zostało uzyskane przez zespół projektowy GRAPHENICS dzięki SPM w silikonowym czipie fotonicznym pokrytym grafenem z pompowaniem światła do procesu SPM zapewnianym przez nowatorski niewielkich rozmiarów światłowodowy laser impulsowy MIR. Podkreślając badawcze podejście w ramach projektu GRAPHENICS, jego koordynator, prof. Nathalie Vermeulen wspomina: „Przeprowadzanie każdego etapu cyklu prac badawczo-rozwojowych dotyczącego czipów, dokonywaliśmy fundamentalnych obliczeń nieliniowości dla zaizolowanego grafenu, jednocześnie modelując i opracowując urządzenia zawierające pokryte grafenem prowadnice światłowodowe. Nasze prace produkcyjne obejmowały wytwarzanie grafenu, jego zebranie, kształtowanie i domieszkowanie bezpośrednio na górną powierzchnię fotonowych prowadnic światłowodowych. Nasze doświadczenia słuszności konceptu obejmowały zarówno liniową, jak i nieliniową charakterystykę urządzeń. Równolegle opracowaliśmy także kompaktowy laser pompujący światłowody MIR”. Zupełnie nowe odkrycie stanowił fakt, że wbrew powszechnej opinii, trzeciorzędowa nieliniowość optyczna grafenu wspomagająca proces SPM jest raczej sygnałem negatywnym, a nie pozytywnym. Jak wyjaśnia profesor Vermeulen, „Materiały wykorzystywane do wytwarzania (układ scalony) nieliniowych urządzeń optycznych wykazują zwykle trzeciorzędową nieliniowość z sygnałem pozytywnym. Tego rodzaju nieliniowość można udoskonalić przez wprowadzenie materiałów wykazujących wyższy poziom nieliniowości trzeciorzędowej z sygnałem pozytywnym. Naukowcy zakładali, że grafen spełni te warunki — do momentu odkrycia, cechy jego nieliniowości stanowią sygnał negatywny.” Odkrycie to obnażyło słabe punkty, a także możliwości związane z materiałem na nieliniowe czipy fotoniczne. Praktyczną implikację stanowiło stwierdzenie, że dopilnowanie udoskonalenia, a nie zahamowana ogólnej wydajności urządzenia wymaga od badaczy konieczności uwzględnienia położenia i powierzchni obszaru pokrytego grafenem. Projekt typu „wysokie ryzyko, duże korzyści” z praktycznymi zastosowaniami Zdaniem prof. Vermeulen zarówno pokryty grafenem czip fotoniczny, jak i kompaktowy laser światłowodów MIR opracowane w ramach projektu mogą znaleźć wiele zastosowań. Jak podsumowuje, „Służąc jako źródło pompujące dla wytwarzania superkontinuum MIR, laser światłowodowy może znaleźć zastosowania w całkowicie optycznym monitorowaniu poziomu glukozy u pacjentów cierpiących na cukrzycę. Jako niezależne urządzenie daje ono także interesujące możliwości, takie jak wysokiej czułości detekcja konkretnych gazów cieplarnianych”. Jako projekt Nowych Technologii i Technologii Przyszłości (FET), przeprowadzony przez „młodych odkrywców” projekt GRAPHENICS nie tylko przyczynił się do fundamentalnych i interdyscyplinarnych badań wywierających wpływ na środowisko, ale także umożliwił uzyskanie wiedzy stanowiącej przyszłość europejskiej nauki i liderów w dziedzinie technologii. Prace nad projektem GRAPHENICS nadal trwają i uwzględniają systematyczne badania nad grafenem w połączeniu z innymi rodzajami prowadnic światłowodowych. Zespół poszukuje możliwości komercyjnego wykorzystania opracowanego przez siebie innowacyjnego lasera światłowodów MIR.
Słowa kluczowe
Projekt GRAPHENICS, układ scalony, szerokopasmowe źródło światła, średnia podczerwień, optyka, fotonika, silikon pokryty grafenem, grafen, prowadnice światłowodowe, superkontinuum, nieliniowość
