שבב All-in-One משלב לראשונה לייזר ומוליך גל פוטוניים - Physics World

חוקרים בארה"ב שילבו לראשונה לייזרים בעלי רעש נמוך במיוחד ומובילי גל פוטוניים על גבי שבב בודד. הישג מבוקש זה יכול לאפשר לבצע ניסויים ברמת דיוק גבוהה עם שעונים אטומיים וטכנולוגיות קוונטיות אחרות בתוך התקן משולב יחיד, ולהסיר את הצורך בשולחנות אופטיים בגודל חדר ביישומים מסוימים.

כשהאלקטרוניקה הייתה בחיתוליה, חוקרים עבדו עם דיודות, טרנזיסטורים וכן הלאה כמכשירים עצמאיים. הפוטנציאל האמיתי של הטכנולוגיה התממש רק לאחר 1959, כאשר המצאת המעגל המשולב אפשרה לארוז את כל הרכיבים הללו על גבי שבב. חוקרי פוטוניקה היו רוצים לבצע הישג דומה של אינטגרציה, אבל הם עומדים בפני מכשול: "עבור קישור פוטוני אנחנו צריכים להשתמש במקור אור, שהוא בדרך כלל לייזר, בתור המשדר כדי לשלוח את האות לקישורים האופטיים במורד הזרם כמו הסיבים או מובילי הגלים", מסביר צ'או שיאנג, שהוביל את המחקר כפוסט דוקטורט ב ג'ון באוורס קבוצה באוניברסיטת קליפורניה, סנטה ברברה. "אבל כאשר אתה שולח את האור, הוא בדרך כלל יוצר השתקפות אחורית מסוימת: זה חוזר לתוך הלייזר והופך אותו מאוד לא יציב."

כדי להימנע מהשתקפויות כאלה, חוקרים בדרך כלל מכניסים מבודדים. אלה מאפשרים לאור לעבור רק בכיוון אחד, ושוברים את ההדדיות הטבעית הדו-כיוונית של התפשטות האור. הקושי הוא שמבודדים בתקן התעשייה משיגים זאת באמצעות שדה מגנטי, מה שמציב בעיות עבור מתקנים לייצור שבבים. "למותגי CMOS יש דרישות מחמירות מאוד לגבי מה שהם יכולים לקבל בחדר הנקי", מסביר שיאנג, שלומד כעת באוניברסיטת הונג קונג. "חומרים מגנטיים אינם מותרים בדרך כלל."

משולב, אבל נפרד

מכיוון שהטמפרטורות הגבוהות הנדרשות עבור חישול מוליכי גל עלולות לפגוע ברכיבים אחרים, שיאנג, באוורס ועמיתיו החלו בייצור מוליכי גל סיליקון ניטריד בעלי אובדן נמוך במיוחד על מצע סיליקון. לאחר מכן הם כיסו את מובילי הגלים בכמה שכבות של חומרים מבוססי סיליקון והרכיבו לייזר אינדיום פוספט בעל רעש נמוך בחלק העליון של הערימה. אילו היו מתקינים את הלייזר ואת מוליך הגל יחדיו, התחריט הכרוך בייצור הלייזר היה פוגע במוליכי הגל, אך הצמדת השכבות הבאות למעלה מנע את הבעיה הזו.

הפרדת הלייזר ומובילי הגל פירושה גם שהדרך היחידה שבה שני המכשירים יכלו לקיים אינטראקציה היא על ידי צימוד דרך "שכבת חלוקה מחדש" של סיליקון ניטריד ביניים דרך השדות הנעלם שלהם (מרכיבי שדה אלקטרומגנטי שאינם מתפשטים אלא מתפוררים באופן אקספוננציאלי מקור). המרחק ביניהם צמצם אפוא הפרעות לא רצויות. "הלייזר העליון ומוליך הגל התחתון בעל אובדן נמוך מאוד רחוקים מאוד," אומר שיאנג, "כך שלשניהם יכולים להיות הביצועים הטובים ביותר בעצמם. השליטה בשכבת הפיזור מחדש של סיליקון ניטריד מאפשרת לחבר אותם בדיוק היכן שאתה רוצה שהם יהיו. בלעדיו, הם לא יתחברו".

שילוב מיטב המכשירים האקטיביים והפאסיביים

החוקרים הראו כי מערך הלייזר הזה היה חזק לרעש ברמות הצפויות בניסויים סטנדרטיים. הם גם הדגימו את התועלת של המכשיר שלהם על ידי ייצור מחולל תדר מיקרוגל שניתן לכוונן על ידי התאמת תדר הפעימה בין שני לייזרים כאלה - דבר שלא היה מעשי בעבר במעגל משולב.

בהתחשב במגוון העצום של יישומים עבור לייזרים בעלי רעש נמוך במיוחד בטכנולוגיה מודרנית, הצוות אומר שהיכולת להשתמש בלייזרים כאלה בפוטוניקת סיליקון משולבת היא קפיצת מדרגה גדולה. "לבסוף, על אותו שבב, אנחנו יכולים לקבל את המכשירים האקטיביים הטובים ביותר ואת המכשירים הפסיביים הטובים ביותר ביחד", אומר שיאנג. "לשלב הבא, אנו הולכים להשתמש בלייזרים בעלי רעש נמוך במיוחד כדי לאפשר פונקציונליות אופטיות מורכבות מאוד, כמו למשל במטרולוגיה מדויקת וחישה."

משטחי מטא-גל דולפים מחברים מוליכי גל לאופטיקה של חלל פנוי

סקוט דידמס, פיזיקאי אופטי מאוניברסיטת קולורדו, בולדר, ארה"ב, שלא היה מעורב במחקר, מתרשם: "הבעיה הזו של לייזרים משולבים עם מבודדים אופטיים הייתה הטרדה של הקהילה במשך עשור לפחות, ואף אחד לא היה הוא יודע איך לפתור את הבעיה של יצירת לייזר בעל רעש נמוך באמת על שבב... אז זו פריצת דרך אמיתית", הוא אומר. "אנשים כמו ג'ון באוורס עבדו בתחום הזה במשך 20 שנה, ולכן הם הכירו את אבני הבניין הבסיסיות, אבל להבין איך לגרום לכולם לעבוד בצורה מושלמת ביחד זה לא רק כמו חיבור חלקים יחד."

Diddams מוסיף כי המכשיר המשולב החדש עשוי להיות "משפיע מאוד" במחשוב קוונטי. "חברות רציניות מנסות לבנות פלטפורמות הכוללות אטומים ויונים - האטומים והיונים האלה פועלים בצבעים מאוד ספציפיים, ואנחנו מדברים איתם באור לייזר", הוא מסביר. "פשוט אין סיכוי שאי פעם יבנה מחשב קוונטי מתפקד בקנה מידה ללא פוטוניקה משולבת כמו זו."

המחקר פורסם ב טבע.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. רכב / רכבים חשמליים, פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• BlockOffsets. מודרניזציה של בעלות על קיזוז סביבתי. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/all-in-one-chip-combines-laser-and-photonic-waveguide-for-the-first-time/