Чип «все в одном» впервые сочетает в себе лазер и фотонный волновод

Исследователи из США впервые интегрировали сверхмалошумящие лазеры и фотонные волноводы в один чип. Это долгожданное достижение может позволить проводить высокоточные эксперименты с атомными часами и другими квантовыми технологиями в одном интегрированном устройстве, устраняя необходимость в оптических столах размером с комнату в некоторых приложениях.

Когда электроника была в зачаточном состоянии, исследователи работали с диодами, транзисторами и так далее как с автономными устройствами. Истинный потенциал технологии был реализован только после 1959 года, когда изобретение интегральной схемы позволило упаковать все эти компоненты в микросхему. Исследователи в области фотоники хотели бы совершить аналогичный подвиг интеграции, но столкнулись с препятствием: «Для фотонной связи нам нужно использовать источник света, который обычно является лазером, в качестве передатчика для отправки сигнала в нисходящие оптические каналы, такие как волокон или волноводов», объясняет Чао Сян, который руководил исследованием в качестве постдока в Джон Бауэрс группы в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре. «Но когда вы посылаете свет, он обычно генерирует некоторое обратное отражение: оно возвращается в лазер и делает его очень нестабильным».

Чтобы избежать таких отражений, исследователи обычно вставляют изоляторы. Они позволяют свету проходить только в одном направлении, нарушая естественную двустороннюю взаимность распространения света. Сложность заключается в том, что в стандартных изоляторах это достигается с помощью магнитного поля, что создает проблемы для предприятий по производству микросхем. «Производители КМОП предъявляют очень строгие требования к тому, что они могут иметь в чистых помещениях», — объясняет Сян, который сейчас работает в Университете Гонконга. «Магнитные материалы обычно не допускаются».

Интегрированный, но отдельный

Поскольку высокие температуры, необходимые для отжига волноводов, могут повредить другие компоненты, Сян, Бауэрс и их коллеги начали с изготовления волноводов из нитрида кремния со сверхмалыми потерями на кремниевой подложке. Затем они покрыли волноводы несколькими слоями материалов на основе кремния и установили малошумящий лазер на фосфате индия в верхней части стека. Если бы они установили лазер и волновод вместе, травление, связанное с изготовлением лазера, повредило бы волноводы, но склеивание последующих слоев сверху решило эту проблему.

Разделение лазера и волноводов также означало, что единственным способом взаимодействия двух устройств была связь через промежуточный «слой перераспределения» нитрида кремния через их исчезающие поля (компоненты электромагнитного поля, которые не распространяются, а вместо этого экспоненциально затухают при удалении от источник). Таким образом, расстояние между ними минимизировало нежелательные помехи. «Верхний лазер и нижний волновод со сверхмалыми потерями расположены очень далеко, — говорит Сян, — поэтому они оба могут иметь наилучшие возможные характеристики сами по себе. Контроль слоя перераспределения нитрида кремния позволяет соединять их именно там, где вы хотите. Без него они бы не соединились».

Сочетание лучших активных и пассивных устройств

Исследователи показали, что эта лазерная установка устойчива к шуму на уровнях, ожидаемых в стандартных экспериментах. Они также продемонстрировали полезность своего устройства, создав настраиваемый генератор микроволновой частоты, регулируя частоту биений между двумя такими лазерами, что ранее не применялось на интегральных схемах.

Учитывая огромный спектр применений сверхмалошумящих лазеров в современных технологиях, команда говорит, что возможность использовать такие лазеры в интегрированной кремниевой фотонике — это большой шаг вперед. «Наконец, на одном чипе мы можем иметь лучшие активные устройства и лучшие пассивные устройства вместе», — говорит Сян. «Для следующего шага мы собираемся использовать эти сверхмалошумящие лазеры, чтобы реализовать очень сложные оптические функции, например, в прецизионной метрологии и датчиках».

Метаповерхности с вытекающими волнами соединяют волноводы с оптикой свободного пространства.

Скотт Диддамс, физик-оптик из Колорадского университета в Боулдере, США, не участвовавший в исследовании, впечатлен: «Эта проблема интегрированных лазеров с оптическими изоляторами была бичом сообщества в течение как минимум десяти лет, и никто знает, как решить проблему создания действительно малошумящего лазера на кристалле… так что это настоящий прорыв», — говорит он. «Такие люди, как Джон Бауэрс, работали в этой области в течение 20 лет, и поэтому они знали основные строительные блоки, но выяснить, как заставить их все работать идеально вместе, — это не просто склеить кусочки вместе».

Диддамс добавляет, что новое интегрированное устройство, вероятно, будет «очень эффективным» в квантовых вычислениях. «Серьезные компании пытаются создавать платформы, в которых участвуют атомы и ионы — эти атомы и ионы работают с очень специфическими цветами, и мы разговариваем с ними с помощью лазерного излучения», — объясняет он. «Никто никогда не сможет построить функционирующий квантовый компьютер в масштабе без интегрированной фотоники».

Исследование опубликовано в природа.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Автомобили / электромобили, Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• Смещения блоков. Модернизация права собственности на экологические компенсации. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/all-in-one-chip-combines-laser-and-photonic-waveguide-for-the-first-time/