All-in-one-siru yhdistää laserin ja fotonisen aaltoputken ensimmäistä kertaa – Physics World

Yhdysvaltalaiset tutkijat ovat integroineet ultramatalakohinaisia ​​lasereita ja fotonisia aaltoputkia yhdelle sirulle ensimmäistä kertaa. Tämä kauan haettu saavutus voisi mahdollistaa erittäin tarkkojen kokeiden suorittamisen atomikelloilla ja muilla kvanttitekniikoilla yhdessä integroidussa laitteessa, mikä poistaa huoneen kokoisten optisten pöytien tarpeen tietyissä sovelluksissa.

Kun elektroniikka oli lapsenkengissään, tutkijat työskentelivät diodien, transistoreiden ja niin edelleen erillisinä laitteina. Tekniikan todellinen potentiaali toteutui vasta vuoden 1959 jälkeen, kun integroidun piirin keksintö mahdollisti kaikkien näiden komponenttien pakkaamisen sirulle. Fotoniikan tutkijat haluaisivat tehdä samanlaisen integroinnin, mutta he kohtaavat esteen: "Fotonisen linkin tapauksessa meidän on käytettävä valonlähdettä, joka on tavallisesti laser, lähettimenä signaalin lähettämiseksi alavirran optisiin linkkeihin, kuten kuidut tai aaltoputket”, selittää Chao Xiang, joka johti tutkimusta postdocina vuonna John Bowersin ryhmä Kalifornian yliopistossa Santa Barbarassa. "Mutta kun lähetät valoa, se yleensä synnyttää jonkin verran takaisinheijastusta: se palaa laseriin ja tekee siitä erittäin epävakaa."

Tällaisten heijastusten välttämiseksi tutkijat yleensä asettavat eristimet. Nämä sallivat valon kulkea vain yhteen suuntaan, mikä rikkoo valon etenemisen luonnollisen kaksisuuntaisen vastavuoroisuuden. Vaikeus on se, että alan standardin mukaiset isolaattorit suorittavat tämän käyttämällä magneettikenttää, mikä aiheuttaa ongelmia sirujen valmistuslaitoksille. "CMOS-koneilla on erittäin tiukat vaatimukset siitä, mitä niillä saa olla puhdashuoneessa", selittää Xiang, joka työskentelee tällä hetkellä Hongkongin yliopistossa. "Magneettiset materiaalit eivät yleensä ole sallittuja."

Integroitu, mutta erillinen

Koska aaltoputkien hehkutukseen vaadittavat korkeat lämpötilat voivat vahingoittaa muita komponentteja, Xiang, Bowers ja kollegat aloittivat valmistamalla erittäin pienihäviöisiä piinitridiaaltoputkia piisubstraatille. Sitten he peittivät aaltoputket useilla kerroksilla piipohjaisia ​​materiaaleja ja kiinnittivät hiljaisen indiumfosfaattilaserin pinon yläosaan. Jos he olisivat asentaneet laserin ja aaltoputken yhteen, laserin valmistukseen liittyvä etsaus olisi vaurioittanut aaltoputket, mutta seuraavien kerrosten kiinnittäminen päälle sivuutti tämän ongelman.

Laserin ja aaltoputkien erottaminen merkitsi myös sitä, että ainoa tapa, jolla nämä kaksi laitetta voivat olla vuorovaikutuksessa, oli kytkeytyä välissä olevan piinitridin "uudelleenjakokerroksen" kautta niiden vaimenevien kenttien kautta (sähkömagneettisen kentän komponentit, jotka eivät etene, vaan hajoavat eksponentiaalisesti pois lähde). Niiden välinen etäisyys minimoi siis ei-toivotut häiriöt. "Ylempi laser ja alin ultrapienihäviöinen aaltoputki ovat hyvin kaukana", Xiang sanoo, "joten molemmilla voi olla paras mahdollinen suorituskyky yksinään. Piinitridin uudelleenjakokerroksen ohjaus mahdollistaa niiden kytkemisen juuri sinne, missä haluat niiden olevan. Ilman sitä he eivät pariutuisi."

Yhdistelee parhaita aktiivisia ja passiivisia laitteita

Tutkijat osoittivat, että tämä laserkokoonpano kesti kohinaa normaaleissa kokeissa odotetulla tasolla. He myös osoittivat laitteensa hyödyllisyyden tuottamalla viritettävän mikroaaltotaajuusgeneraattorin säätämällä lyöntitaajuutta kahden tällaisen laserin välillä - mikä ei aiemmin ollut käytännöllistä integroidussa piirissä.

Ottaen huomioon erittäin vähäkohinaisten lasereiden valtavan valikoiman sovelluksia modernissa tekniikassa, tiimi sanoo, että tällaisten lasereiden käyttö integroidussa piifotoniikassa on suuri harppaus eteenpäin. "Lopuksi, samalla sirulla meillä voi olla parhaat aktiiviset laitteet ja parhaat passiiviset laitteet yhdessä", Xiang sanoo. "Seuraavassa vaiheessa aiomme käyttää noita erittäin vähäkohinaisia ​​lasereita mahdollistamaan erittäin monimutkaisia ​​optisia toimintoja, kuten esimerkiksi tarkkuusmetrologiassa ja anturissa."

Vuotavan aallon metapinnat yhdistävät aaltoputket vapaan tilan optiikkaan

Scott Diddams, optinen fyysikko Coloradon yliopistosta Boulderista, USA:sta, joka ei ollut mukana tutkimuksessa, on vaikuttunut: "Tämä optisten isolaattorien integroitujen lasereiden ongelma on ollut yhteisön ongelma ainakin vuosikymmenen ajan, eikä kukaan ollut tiedetään, kuinka ratkaista ongelma, joka liittyy todella hiljaisen laserin tekemiseen sirulle… joten tämä on todellinen läpimurto”, hän sanoo. "John Bowersin kaltaiset ihmiset olivat työskennelleet tällä alalla 20 vuotta, joten he tiesivät perusrakennuspalikat, mutta niiden kaikkien yhteensovittamiseksi täydellisesti ei ole kyse vain osien pultamisesta yhteen."

Diddams lisää, että uusi integroitu laite on todennäköisesti "erittäin vaikuttava" kvanttilaskentaan. "Vakavat yritykset yrittävät rakentaa alustoja, joissa on atomeja ja ioneja – ne atomit ja ionit toimivat hyvin tietyillä väreillä, ja me puhumme heille laservalolla", hän selittää. "Ei yksinkertaisesti ole mahdollista rakentaa toimivaa kvanttitietokonetta mittakaavassa ilman tällaista integroitua fotoniikkaa."

Tutkimus julkaistaan luonto.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. Autot / sähköautot, hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• BlockOffsets. Ympäristövastuun omistuksen nykyaikaistaminen. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/all-in-one-chip-combines-laser-and-photonic-waveguide-for-the-first-time/