Az all-in-one chip első ízben egyesíti a lézert és a fotonikus hullámvezetőt – a fizika világa

Az amerikai kutatók először integráltak ultraalacsony zajszintű lézereket és fotonikus hullámvezetőket egyetlen chipre. Ez a régóta áhított eredmény lehetővé teheti atomórákkal és más kvantumtechnológiákkal végzett nagy pontosságú kísérletek elvégzését egyetlen integrált eszközön belül, így bizonyos alkalmazásokban szükségtelenné válik a szoba méretű optikai asztalok alkalmazása.

Amikor az elektronika még gyerekcipőben járt, a kutatók diódákkal, tranzisztorokkal stb. dolgoztak önálló eszközökként. A technológiában rejlő valódi lehetőségeket csak 1959 után realizálták, amikor az integrált áramkör feltalálása lehetővé tette mindezen komponensek chipre történő csomagolását. A fotonika kutatói hasonló integrációs bravúrt szeretnének végrehajtani, de akadályba ütköznek: „A fotonikus kapcsolathoz fényforrást kell használnunk, amely általában lézer, adóként, hogy a jelet továbbítsák a lefelé irányuló optikai kapcsolatokhoz, mint pl. a szálak vagy hullámvezetők” – magyarázza Chao Xiang, aki posztdoktorként vezette a kutatást ben John Bowers csoport a Kaliforniai Egyetemen, Santa Barbarában. "De amikor kibocsátod a fényt, az általában visszaverődést generál: ez visszamegy a lézerbe, és nagyon instabillá teszi."

Az ilyen tükröződések elkerülése érdekében a kutatók általában izolátorokat helyeznek be. Ezek csak egy irányba engedik át a fényt, megtörve a fényterjedés természetes kétirányú kölcsönösségét. A nehézséget az jelenti, hogy az ipari szabvány szigetelők ezt mágneses mező segítségével érik el, ami problémákat okoz a chipgyártó létesítményekben. „A CMOS-gyártók nagyon szigorú követelményeket támasztanak azzal kapcsolatban, hogy mit kaphatnak a tisztaszobában” – magyarázza Xiang, aki jelenleg a Hongkongi Egyetemen dolgozik. "A mágneses anyagok általában nem megengedettek."

Integrált, de különálló

Mivel a hullámvezetők hőkezeléséhez szükséges magas hőmérséklet más alkatrészeket is károsíthat, Xiang, Bowers és munkatársai ultraalacsony veszteségű szilícium-nitrid hullámvezetők gyártásával kezdtek szilíciumhordozón. Ezután több réteg szilícium alapú anyaggal bevonták a hullámvezetőket, és egy alacsony zajszintű indium-foszfát lézert szereltek fel a köteg tetejére. Ha a lézert és a hullámvezetőt együtt szerelték volna fel, a lézer gyártásához kapcsolódó maratás károsította volna a hullámvezetőket, de a rákövetkező rétegek ragasztása a tetején elkerülte ezt a problémát.

A lézer és a hullámvezetők szétválasztása azt is jelentette, hogy a két eszköz csak úgy tudott kölcsönhatásba lépni, hogy egy közbenső szilícium-nitrid „újraelosztó rétegen” keresztül kapcsolódtak az elillanó mezőiken keresztül (az elektromágneses tér azon komponensei, amelyek nem terjednek, hanem exponenciálisan bomlanak le egy forrás). A köztük lévő távolság így minimálisra csökkentette a nem kívánt interferenciát. „A felső lézer és az alsó ultraalacsony veszteségű hullámvezető nagyon messze van – mondja Xiang –, így mindkettő a lehető legjobb teljesítményt nyújthatja önmagában. A szilícium-nitrid újraelosztó réteg szabályozása lehetővé teszi, hogy pontosan a kívánt helyre kapcsolják őket. Enélkül nem párosodnának.”

A legjobb aktív és passzív eszközök kombinálása

A kutatók kimutatták, hogy ez a lézerbeállítás robusztus volt a normál kísérletekben elvárt zajszinttel szemben. Bemutatták eszközük hasznosságát egy hangolható mikrohullámú frekvenciagenerátor létrehozásával is, amely két ilyen lézer közötti ütési frekvenciát állítja be – ami korábban nem volt praktikus integrált áramkörön.

Tekintettel az ultraalacsony zajszintű lézerek modern technológiában való alkalmazási lehetőségeinek óriási skálájára, a csapat szerint az ilyen lézerek integrált szilíciumfotonikában való alkalmazása nagy előrelépést jelent. „Végül, ugyanazon a chipen a legjobb aktív eszközök és a legjobb passzív eszközök együtt lehetnek” – mondja Xiang. "A következő lépésben ezeket a nagyon alacsony zajszintű lézereket fogjuk használni, hogy olyan nagyon összetett optikai funkciókat tegyenek lehetővé, mint például a precíziós metrológia és az érzékelés."

Szivárgó hullámú metafelületek kötik össze a hullámvezetőket a szabadtér optikával

Scott Diddams, a Colorado Egyetem (Boulder, USA) optikai fizikusa, aki nem vett részt a kutatásban, lenyűgözött: „Az optikai leválasztókkal ellátott integrált lézerek problémája legalább egy évtizede a közösség veszélye, és senki sem tudjuk, hogyan lehet megoldani egy nagyon alacsony zajszintű lézer chipen történő elkészítésének problémáját… szóval ez egy igazi áttörés” – mondja. „Olyan emberek, mint John Bowers, 20 éve dolgoztak ezen a területen, így tudták az alapvető építőelemeket, de annak kitalálása, hogyan lehet őket tökéletesen együttműködni, nem olyan, mint a darabok összecsavarozása.”

Diddams hozzáteszi, hogy az új integrált eszköz valószínűleg „nagyon hatásos” lesz a kvantumszámítástechnikában. „Komoly cégek próbálnak olyan platformokat építeni, amelyek atomokat és ionokat tartalmaznak – ezek az atomok és ionok nagyon specifikus színekkel működnek, és mi lézerfénnyel beszélünk velük” – magyarázza. "Egyszerűen nincs lehetőség arra, hogy valaha is létrejöjjön egy működőképes kvantumszámítógép nagyszabású integrált fotonika nélkül."

A kutatást a Természet.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Autóipar / elektromos járművek, Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• BlockOffsets. A környezetvédelmi ellentételezési tulajdon korszerűsítése. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/all-in-one-chip-combines-laser-and-photonic-waveguide-for-the-first-time/