Kõik-ühes kiip ühendab esmakordselt laseri ja fotoonilise lainejuhi – Physics World

USA teadlased integreerisid esimest korda ülimadala müratasemega laserid ja fotoonilised lainejuhid ühele kiibile. See kauaoodatud saavutus võib võimaldada teha ülitäpseid katseid aatomkellade ja muude kvanttehnoloogiatega ühes integreeritud seadmes, kõrvaldades teatud rakendustes ruumisuuruste optiliste tabelite vajaduse.

Kui elektroonika oli lapsekingades, töötasid teadlased eraldiseisvate seadmetena dioodide, transistoride ja muuga. Tehnoloogia tegelik potentsiaal realiseeriti alles pärast 1959. aastat, kui integraallülituse leiutamine võimaldas kõik need komponendid kiibile pakkida. Fotoonikauurijad sooviksid teha sarnast integratsiooni, kuid neil on takistus: "Fotoonilise lingi jaoks peame saatjana kasutama valgusallikat, mis on tavaliselt laser, et saata signaal allavoolu optilistele linkidele, näiteks kiud või lainejuhid,” selgitab Chao Xiang, kes juhtis uurimistööd aastal järeldoktorina John Bowersi rühm California ülikoolis Santa Barbaras. "Kuid kui saadate valgust välja, tekitab see tavaliselt tagasipeegeldust: see läheb tagasi laserisse ja muudab selle väga ebastabiilseks."

Selliste peegelduste vältimiseks sisestavad teadlased tavaliselt isolaatorid. Need võimaldavad valgusel liikuda ainult ühes suunas, rikkudes valguse loomuliku kahesuunalise vastastikkuse. Raskus seisneb selles, et tööstusharu standardsed isolaatorid saavutavad selle magnetvälja abil, mis tekitab probleeme kiibi valmistamise rajatistele. "CMOS-seadmetel on väga ranged nõuded selle kohta, mis neil puhtas ruumis võib olla, " selgitab Xiang, kes töötab praegu Hongkongi ülikoolis. "Magnetmaterjalid pole tavaliselt lubatud."

Integreeritud, kuid eraldi

Kuna lainejuhtide lõõmutamiseks vajalikud kõrged temperatuurid võivad kahjustada teisi komponente, alustasid Xiang, Bowers ja tema kolleegid räni substraadile ülimadala kadudega räninitriidlainejuhtide valmistamist. Seejärel katsid nad lainejuhid mitme kihi ränipõhiste materjalidega ja paigaldasid virna ülaossa madala müratasemega indiumfosfaatlaseri. Kui nad oleksid laseri ja lainejuhi kokku monteerinud, oleks laseri valmistamisega kaasnev söövitus lainejuhid kahjustanud, kuid järgnevate kihtide ühendamine peal aitas selle probleemi kõrvale.

Laseri ja lainejuhtide eraldamine tähendas ka seda, et ainus viis, kuidas need kaks seadet omavahel suhelda said, oli side läbi vahepealse räninitriidi "ümberjaotuskihi" nende kaduvate väljade kaudu (elektromagnetvälja komponendid, mis ei levi, vaid lagunevad eksponentsiaalselt eemale). allikas). Nendevaheline kaugus minimeeris seega soovimatud häired. "Ülemine laser ja alumine ülimadala kadudega lainejuht on väga kaugel," ütleb Xiang, "nii et neil mõlemal on üksinda parim võimalik jõudlus. Räninitriidi ümberjaotuskihi juhtimine võimaldab neid ühendada täpselt sinna, kuhu soovite. Ilma selleta nad ei paarituks.

Parimate aktiivsete ja passiivsete seadmete ühendamine

Teadlased näitasid, et see laserseade oli standardkatsetes oodatud tasemel müra suhtes vastupidav. Samuti demonstreerisid nad oma seadme kasulikkust, luues häälestatava mikrolainesageduse generaatori, reguleerides kahe sellise laseri vahelist löögisagedust – midagi, mis integraallülituses varem polnud praktiline.

Arvestades ülimadala müratasemega laserite tohutut rakenduste valikut kaasaegses tehnoloogias, on töörühma sõnul selliste laserite kasutamine integreeritud ränifotoonikas suur samm edasi. "Lõpuks saame ühel kiibil olla koos parimad aktiivsed seadmed ja parimad passiivsed seadmed," ütleb Xiang. "Järgmise sammuna kasutame neid väga madala müratasemega lasereid, et võimaldada väga keerulisi optilisi funktsioone, nagu näiteks täppismetroloogias ja tuvastuses."

Lekkiva laine metapinnad ühendavad lainejuhid vaba ruumi optikaga

Scott DiddamsUSA Colorado ülikooli (Boulder) optikafüüsik, kes ei osalenud uurimistöös, on muljet avaldanud: „See optiliste isolaatoritega integreeritud laserite probleem on olnud kogukonna hädas vähemalt kümme aastat ja kellelgi pole seda olnud. teadnud, kuidas lahendada väga madala müratasemega laseri valmistamise probleem kiibil, nii et see on tõeline läbimurre, ”ütleb ta. "Inimesed, nagu John Bowers, olid selles valdkonnas töötanud 20 aastat ja seetõttu teadsid nad põhilisi ehitusplokke, kuid nende kõigi koos töötama panemine pole lihtsalt tükkide kokkukeeramine."

Diddams lisab, et uus integreeritud seade on tõenäoliselt kvantarvutuses "väga mõjukas". "Tõsised ettevõtted üritavad ehitada platvorme, mis hõlmavad aatomeid ja ioone – need aatomid ja ioonid töötavad väga spetsiifiliste värvidega ning me räägime nendega laservalgusega," selgitab ta. "Ilmagi ei saa kunagi ehitada toimivat kvantarvutit ilma sellise integreeritud fotoonikata."

Uuring on avaldatud aastal loodus.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Autod/elektrisõidukid, Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• BlockOffsets. Keskkonnakompensatsiooni omandi ajakohastamine. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/all-in-one-chip-combines-laser-and-photonic-waveguide-for-the-first-time/