Micro-Ressonadores Fotônicos

Micro-ressonadores fotônicos são dispositivos constituídos por guias de onda capazes de aprisionar radiação eletromagnética em circuitos fechados. Embora diversas geometrias e técnicas de acoplamento são empregadas para este fim, em nosso caso particular utilizamos microcavidades em formato anelar, onde luz é acoplada (e subsequentemente desacoplada) através do efeito de reflexão interna total frustrada proveniente de um guia de onda retilíneo próximo ao anel. Atualmente contamos com diversos chips que possuem de 10 a 60 microcavidades que diferem em força de acoplamento, características dispersivas, raio e fator de qualidade.

Esquematização de um chip contendo 10 microcavidades em anel idênticas, variando a força de acoplamento de acordo com a proximidade entre anel e guia de onda reto, expressada através dos valores numéricos. Estas são distâncias típicas utilizadas, as quais possuem unidades de nanometros.

Fotografia amplificada de um micro-ressonador equivalente aos estudados no LMCAL. À esquerda está localizado o guia de onda reto responsável pelo acoplamento e desacoplamento de luz no micro-anel, à direita.

Os chips atualmente disponíveis no LMCAL, são fabricados e fornecidos por conta da colaboração com os grupos de pesquisa liderados pela professora Michal Lipson e pelo professor Alexander Gaeta, ambos da universidade de Columbia, e consistem em guias de onda de nitreto de silício (Si3N4) enterrados em um substrato de óxido de silício (SiO2). Tais dispositivos fotônicos representam enorme interesse tecnológico, uma vez que são baseados na mesma matéria prima e nos mesmos métodos de manufatura de atuais equipamentos microeletrônicos.

Esquematização de um guia de onda de nitreto de silício, com geometria transversal (eixo xy) retangular,  enterrado em um substrato de óxido de silício.

Comparação de tamanho entre um dos nossos OPOs de cristal não-linear e um chip contendo 60 microcavidades (indicado pela seta vermelha) apoiado sobre sua base.

A atratividade na substituição de equipamentos eletrônicos por sistemas fotônicas se dá principalmente por conta da sua baixa dissipação de energia, a qual é inerentemente alta em sistemas elétricos em temperatura ambiente devido ao efeito Joule. Assim, a compatibilidade dos guias de onda com equipamentos microeletrônicos possibilita a criação de tecnologias de processamento e comunicação que exploram as vantagens dessas duas áreas. Além disso, aplicações de sistemas integrados em áreas de ciência e tecnologia vem crescendo ao longo das últimas décadas. Alguns exemplos são fontes de luz, divisores de feixes e detectores integrados, além dos ressonadores. A este último, temos como exemplos de interesse a geração de pentes de frequência (empregados em referências temporais ultra precisas, medições espaciais, multiplexação por divisão de comprimento de onda, detecção química e outros), monitoramento de temperatura, geração de fótons correlacionados e luz não-clássica. Nosso laboratório se dedica atualmente na geração de campos intensos emaranhados, tratando os micro-ressonadores como osciladores paramétricos ópticos (OPOs) operando acima do limiar de oscilação. Outros sistemas empregados nessa mesma função podem ser encontrados nas outras seções que descrevem as pesquisas realizadas no LMCAL.

O emprego de microcavidades como OPOs se sustenta em três fatores principais. O nitreto de silício é um material que apresenta alto grau não-linear de terceira ordem, o que pode levar ao efeito de mistura de quatro ondas nos micro-ressonadores. Nesse processo, dois fótons do feixe do campo de bombeio são aniquilados e dois novos fótons são criados em dois novos modos ressonantes localizados simetricamente ao entorno do bombeio, denominados sinal e complementar. Tal processo obedece condições de conservação de energia e momento, proporcionando correlações entre os campos excitados.

Representação do processo de geração dos modos sinal e complementar em um micro-anel. Ao centro temos um diagrama de energia representando o processo de mistura de quatro ondas degenerado.

Ademais, o alto contraste dos índices de refração do guia de onda em relação ao substrato permite um forte confinamento da luz em uma região espacial diminuta, resultando em altíssimas potências intra-cavidade. Graças ao atual estágio avançado de fabricação de microcavidades em silício, temos microcavidades com poucas imperfeições, implicando baixíssimas perdas decorrentes de espalhamentos e absorções indesejadas. A soma desses fatores reduz a potência de bombeio necessária para atingir o limiar de oscilação do OPO. Isto é, baixa intensidade do campo incidente é necessária para a excitação dos campos sinal e complementar.

Por fim, características dispersivas dos guias de onda são controladas por meio da construção geométrica da seção transversal dos guias de onda. O controle da dispersão do material permite a determinação das frequências de bombeio que estimulam a mistura de quatro ondas e as regiões do espectro a serem excitadas.

(a) Fotografia do esquema experimental utilizado na manipulação dos micro-ressonadores localizadas no chip. A fibra taber é utilizada no acoplamento de luz no guia de onda reto. Os contatos são responsáveis pela sintonização das microcavidades através do efeito termo-óptico, estimulado pela aplicação de correntes elétricas em micro-aquecedores acoplados no chip. (b) Imagem amplificada do chip evidenciando duas microcavidades. O quadrado indica a região de contato dos micro-aquecedores. (c) Fotografia realizada com câmera de infravermelho de um micro-anel em condição ressonante com um campo na banda de telecomunicações.

Resultados alcançados previamente pelo grupo abrangem a modelagem teórica que evidencia a presença de emaranhamento bipartite entre os campos sinal e complementar e tripartite ao incluir o feixe de bombeio [1]. Um primeiro passo para comprovação experimental desse resultado, realizado através de colaboração na universidade de Cornell, trata-se da medição de compressão de ruído na diferença de intensidade entre os dois modos gerados [2]. Atualmente, o grupo dedica-se à medição simultânea de compressão de ruído na diferença de intensidade e na soma de fases, o que equivale a uma evidência experimental de emaranhamento bipartite. Tal experimento é desenvolvido para comprimentos de onda equivalentes à banda utilizada atualmente em telecomunicações, promovendo um meio de integração entre tecnologias quânticas e clássicas de informação.

Beneficiando-se de métodos de engenharia de dispersão, podemos possibilitar a excitação de modos em diversas frequências do espectro, do visível ao infravermelho [3]. Tal liberdade, permitiu a geração de campos extremamente afastados, localizados nessas duas regiões espectrais. A possibilidade da presença de emaranhamento entre eles permite a futura exploração de correlações quânticas entre plataformas distintas, como meios atômicos e sistemas de telecomunicação.

Microcavidades baseadas em silício são, portanto, altamente interessantes para a indústria fotônica, e o LMCAL se dedica em explorar seu emprego na geração de luz não-clássica, visando contribuir com o desenvolvimento da óptica quântica em sistemas integrados.

[1] González-Arciniegas, C., Treps, N., & Nussenzveig, P. (2017). Third-order nonlinearity OPO: Schmidt mode decomposition and tripartite entanglement. Optics letters, 42(23), 4865-4868.

[2] Dutt, A., Luke, K., Manipatruni, S., Gaeta, A. L., Nussenzveig, P., & Lipson, M. (2015). On-chip optical squeezing. Physical Review Applied, 3(4), 044005.

[3] Zhao, Y., Ji, X., Kim, B. Y., Donvalka, P. S., Jang, J. K., Joshi, C., ... & Nussenzveig, P. (2020). Visible nonlinear photonics via high-order-mode dispersion engineering. Optica, 7(2), 135-141.