El chip todo en uno combina láser y guía de ondas fotónicas por primera vez – Physics World

Investigadores de EE. UU. han integrado por primera vez láseres de ruido ultrabajo y guías de ondas fotónicas en un solo chip. Este logro largamente buscado podría hacer posible realizar experimentos de alta precisión con relojes atómicos y otras tecnologías cuánticas dentro de un solo dispositivo integrado, eliminando la necesidad de mesas ópticas del tamaño de una habitación en ciertas aplicaciones.

Cuando la electrónica estaba en sus inicios, los investigadores trabajaban con diodos, transistores, etc., como dispositivos independientes. El verdadero potencial de la tecnología solo se realizó después de 1959, cuando la invención del circuito integrado hizo posible empaquetar todos estos componentes en un chip. A los investigadores de fotónica les gustaría realizar una proeza similar de integración, pero se enfrentan a un obstáculo: "Para un enlace fotónico necesitamos usar una fuente de luz, que normalmente es un láser, como transmisor para enviar la señal a los enlaces ópticos descendentes como las fibras o guías de ondas”, explica chao xiang, quien dirigió la investigación como postdoctorado en John Bowers grupo de XNUMX en la Universidad de California, Santa Bárbara. “Pero cuando envías la luz, normalmente generará algo de retrorreflexión: eso regresa al láser y lo vuelve muy inestable”.

Para evitar tales reflejos, los investigadores suelen insertar aisladores. Estos permiten que la luz pase en una sola dirección, rompiendo la reciprocidad bidireccional natural de la propagación de la luz. La dificultad es que los aisladores estándar de la industria logran esto utilizando un campo magnético, lo que plantea problemas para las instalaciones de fabricación de chips. “Las fábricas de CMOS tienen requisitos muy estrictos sobre lo que pueden tener en la sala limpia”, explica Xiang, que ahora está en la Universidad de Hong Kong. "Los materiales magnéticos normalmente no están permitidos".

Integrados, pero separados

Dado que las altas temperaturas requeridas para recocer las guías de ondas pueden dañar otros componentes, Xiang, Bowers y sus colegas comenzaron fabricando guías de ondas de nitruro de silicio de pérdida ultrabaja sobre un sustrato de silicio. Luego cubrieron las guías de ondas con varias capas de materiales a base de silicio y montaron un láser de fosfato de indio de bajo ruido en la parte superior de la pila. Si hubieran montado el láser y la guía de ondas juntos, el grabado involucrado en la fabricación del láser habría dañado las guías de ondas, pero la unión de las capas posteriores en la parte superior evitó este problema.

Separar el láser y las guías de ondas también significó que la única forma en que los dos dispositivos podrían interactuar era acoplándose a través de una "capa de redistribución" intermedia de nitruro de silicio a través de sus campos evanescentes (los componentes de un campo electromagnético que no se propagan sino que se descomponen exponencialmente lejos de una fuente). La distancia entre ellos minimizó así las interferencias no deseadas. “El láser superior y la guía de ondas de pérdida ultrabaja inferior están muy lejos”, dice Xiang, “por lo que ambos pueden tener el mejor rendimiento posible por sí solos. El control de la capa de redistribución de nitruro de silicio permite que se acoplen exactamente donde quieras que estén. Sin ella, no se emparejarían”.

Combinando los mejores dispositivos activos y pasivos

Los investigadores demostraron que esta configuración de láser era resistente al ruido en los niveles esperados en los experimentos estándar. También demostraron la utilidad de su dispositivo al producir un generador de frecuencia de microondas sintonizable ajustando la frecuencia de pulsación entre dos de esos láseres, algo que antes no era práctico en un circuito integrado.

Dada la enorme gama de aplicaciones de los láseres de ruido ultrabajo en la tecnología moderna, el equipo dice que poder utilizar tales láseres en la fotónica de silicio integrada es un gran paso adelante. “Finalmente, en el mismo chip, podemos tener los mejores dispositivos activos y los mejores dispositivos pasivos juntos”, dice Xiang. “Para el siguiente paso, vamos a utilizar esos láseres de muy bajo ruido para habilitar funcionalidades ópticas muy complejas como, por ejemplo, en metrología y detección de precisión”.

Las metasuperficies de ondas con fugas conectan las guías de ondas a la óptica del espacio libre

scott diddams, un físico óptico de la Universidad de Colorado, Boulder, EE. UU., que no participó en la investigación, está impresionado: “Este problema de los láseres integrados con aisladores ópticos ha sido la ruina de la comunidad durante al menos una década y nadie lo había hecho. sabe cómo resolver el problema de hacer un láser en un chip con un ruido realmente bajo... así que esto es un gran avance”, dice. “Personas como John Bowers habían estado trabajando en este campo durante 20 años, por lo que conocían los componentes básicos, pero descubrir cómo hacer que todos funcionen perfectamente juntos no es solo unir piezas”.

Diddams agrega que es probable que el nuevo dispositivo integrado sea "muy impactante" en la computación cuántica. “Empresas serias están tratando de construir plataformas que involucren átomos e iones; esos átomos e iones operan en colores muy específicos y les hablamos con luz láser”, explica. "Simplemente no hay forma de que uno construya una computadora cuántica funcional a escala sin una fotónica integrada como esta".

La investigación se publica en Naturaleza.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/all-in-one-chip-combines-laser-and-photonic-waveguide-for-the-first-time/