레이저와 광도파관을 최초로 결합한 올인원 칩 - 물리세계

미국의 연구원들이 처음으로 초저잡음 레이저와 광자 도파관을 단일 칩에 통합했습니다. 오랫동안 기다려온 이 성과는 단일 통합 장치 내에서 원자 시계 및 기타 양자 기술로 고정밀 실험을 수행할 수 있게 하여 특정 응용 분야에서 방 크기의 광학 테이블이 필요하지 않게 합니다.

전자 장치가 초기 단계에 있을 때 연구자들은 다이오드, 트랜지스터 등을 독립형 장치로 사용했습니다. 이 기술의 진정한 잠재력은 집적 회로의 발명으로 이러한 모든 구성 요소를 칩에 담을 수 있게 된 1959년 이후에야 실현되었습니다. 포토닉스 연구자들은 유사한 통합 위업을 수행하고 싶지만 다음과 같은 장애물에 직면해 있습니다. 섬유 또는 도파관”이라고 설명합니다. 차오 시앙박사후 연구원으로 연구를 이끈 존 바워스 그룹 캘리포니아 대학교 산타 바바라에서. "하지만 빛을 내보내면 일반적으로 약간의 역반사가 발생합니다. 이는 레이저로 돌아가서 매우 불안정하게 만듭니다."

이러한 반사를 피하기 위해 연구자들은 일반적으로 아이솔레이터를 삽입합니다. 이것은 빛이 한 방향으로만 통과하도록 허용하여 빛 전파의 자연스러운 양방향 상호성을 깨뜨립니다. 문제는 산업 표준 아이솔레이터가 자기장을 사용하여 이를 달성하기 때문에 칩 제조 시설에 문제가 있다는 것입니다. "CMOS 팹은 클린룸에서 가질 수 있는 것에 대해 매우 엄격한 요구 사항을 가지고 있습니다."라고 현재 홍콩 대학교에 있는 Xiang은 설명합니다. "자성 물질은 일반적으로 허용되지 않습니다."

통합되지만 분리됨

어닐링 도파관에 필요한 고온은 다른 구성 요소를 손상시킬 수 있기 때문에 Xiang, Bowers 및 동료들은 실리콘 기판에 초저손실 실리콘 질화물 도파관을 제작하기 시작했습니다. 그런 다음 실리콘 기반 재료의 여러 층으로 도파관을 덮고 스택 상단에 저잡음 인듐 인산염 레이저를 장착했습니다. 레이저와 도파관을 함께 장착했다면 레이저 제작에 포함된 에칭으로 도파관이 손상되었을 수 있지만, 그 위에 후속 층을 결합하면 이 문제를 피할 수 있습니다.

레이저와 도파관을 분리한다는 것은 또한 두 장치가 상호 작용할 수 있는 유일한 방법은 에바네센트 필드(전파되지 않고 대신 기하급수적으로 감소하는 전자기장의 구성 요소)를 통해 중간 실리콘 질화물 "재분배 레이어"를 통해 결합하는 것임을 의미했습니다. 자원). 따라서 그들 사이의 거리가 원치 않는 간섭을 최소화했습니다. "상단 레이저와 하단 초저손실 도파관은 매우 멀리 떨어져 있습니다." Xiang은 말합니다. 실리콘 질화물 재분배 레이어의 제어를 통해 원하는 위치에 정확하게 결합할 수 있습니다. 그것 없이는 그들은 결합하지 않을 것입니다.”

최고의 액티브 및 패시브 장치 결합

연구원들은 이 레이저 설정이 표준 실험에서 예상되는 수준의 노이즈에 강하다는 것을 보여주었습니다. 그들은 또한 집적 회로에서 이전에는 실용적이지 않았던 두 레이저 사이의 비트 주파수를 조정하여 조정 가능한 마이크로파 주파수 발생기를 생산함으로써 장치의 유용성을 입증했습니다.

현대 기술에서 초저잡음 레이저에 대한 광범위한 응용 분야를 감안할 때 팀은 통합 실리콘 포토닉스에서 이러한 레이저를 사용할 수 있다는 것이 큰 도약이라고 말합니다. "마지막으로 동일한 칩에서 최고의 능동 장치와 최고의 수동 장치를 함께 사용할 수 있습니다."라고 Xiang은 말합니다. "다음 단계에서는 초저잡음 레이저를 사용하여 예를 들어 정밀 계측 및 감지와 같은 매우 복잡한 광학 기능을 활성화할 것입니다."

Leaky-wave metasurfaces는 도파관을 자유 공간 광학에 연결합니다.

스콧 디담스이 연구에 참여하지 않은 미국 볼더에 있는 콜로라도 대학의 광학 물리학자인 은 감명을 받았습니다. 정말 저잡음 레이저를 칩에 만드는 문제를 해결하는 방법을 알고 있기 때문에 이것은 진정한 돌파구입니다.”라고 그는 말합니다. "John Bowers와 같은 사람들은 이 분야에서 20년 동안 일했기 때문에 기본 구성 요소를 알고 있었지만 모두 완벽하게 작동하도록 만드는 방법을 알아내는 것은 부품을 함께 볼트로 결합하는 것과는 다릅니다."

Diddams는 새로운 통합 장치가 양자 컴퓨팅에서 "매우 영향력"이 있을 것이라고 덧붙였습니다. "진지한 회사들은 원자와 이온을 포함하는 플랫폼을 구축하려고 노력하고 있습니다. 이러한 원자와 이온은 매우 특정한 색상으로 작동하며 우리는 레이저 빛으로 그들과 대화합니다."라고 그는 설명합니다. "이와 같은 통합 포토닉스 없이는 작동하는 양자 컴퓨터를 대규모로 구축할 방법이 없습니다."

연구 결과는 자연.

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