Čip vse v enem prvič združuje laserski in fotonski valovod – Physics World

Raziskovalci v ZDA so prvič integrirali ultra tihe laserje in fotonske valovode na en sam čip. Ta dolgo iskani dosežek bi lahko omogočil izvajanje visoko natančnih poskusov z atomskimi urami in drugimi kvantnimi tehnologijami znotraj ene same integrirane naprave, s čimer bi v nekaterih aplikacijah odpadla potreba po optičnih mizah v velikosti prostora.

Ko je bila elektronika v povojih, so raziskovalci delali z diodami, tranzistorji itd. kot samostojnimi napravami. Pravi potencial tehnologije je bil realiziran šele po letu 1959, ko je izum integriranega vezja omogočil zapakiranje vseh teh komponent na čip. Raziskovalci fotonike bi radi izvedli podoben podvig integracije, vendar se soočajo z oviro: »Za fotonsko povezavo moramo uporabiti svetlobni vir, ki je običajno laser, kot oddajnik za pošiljanje signala spodnjim optičnim povezavam, kot je vlakna ali valovode,« pojasnjuje Chao Xiang, ki je kot podoktor vodil raziskavo v John Bowers' skupina na kalifornijski univerzi v Santa Barbari. "Toda ko pošljete svetlobo, bo običajno ustvarila nekaj povratnega odboja: to se vrne v laser in postane zelo nestabilen."

Da bi se izognili takim odbojem, raziskovalci običajno vstavijo izolatorje. Ti omogočajo, da svetloba prehaja le v eno smer, kar prekine naravno dvosmerno vzajemnost širjenja svetlobe. Težava je v tem, da industrijski standardni izolatorji to dosežejo z uporabo magnetnega polja, kar predstavlja težave za naprave za izdelavo čipov. »Tovarne CMOS imajo zelo stroge zahteve glede tega, kaj lahko imajo v čisti sobi,« pojasnjuje Xiang, ki je zdaj na Univerzi v Hongkongu. "Magnetni materiali običajno niso dovoljeni."

Integrirano, vendar ločeno

Ker lahko visoke temperature, potrebne za žarjenje valovodov, poškodujejo druge komponente, so Xiang, Bowers in sodelavci začeli z izdelavo valovodov iz silicijevega nitrida z ultra nizkimi izgubami na silicijevem substratu. Nato so valovode prekrili z več plastmi materialov na osnovi silicija in na vrh sklada namestili nizkošumni indijev fosfatni laser. Če bi laser in valovod montirali skupaj, bi jedkanje, ki je bilo vključeno v izdelavo laserja, poškodovalo valovode, toda z lepljenjem naslednjih plasti na vrhu se je ta težava izognila.

Ločitev laserja in valovodov je tudi pomenila, da je edini način, kako lahko obe napravi sodelujeta, povezovanje skozi vmesno "prerazporeditveno plast" silicijevega nitrida prek njunih evanescentnih polj (komponente elektromagnetnega polja, ki se ne širijo, ampak namesto tega eksponentno upadajo stran od vir). Razdalja med njimi je tako zmanjšala neželene motnje. »Zgornji laser in spodnji valovod z ultra nizkimi izgubami sta zelo daleč,« pravi Xiang, »tako da imata lahko oba sama po sebi najboljšo možno zmogljivost. Nadzor sloja za prerazporeditev silicijevega nitrida omogoča, da se povežejo točno tam, kjer želite. Brez tega se ne bi parila.”

Kombinacija najboljših aktivnih in pasivnih naprav

Raziskovalci so pokazali, da je bila ta laserska nastavitev robustna na hrup na ravneh, pričakovanih v standardnih poskusih. Prav tako so dokazali uporabnost svoje naprave s proizvodnjo nastavljivega generatorja mikrovalovne frekvence s prilagajanjem frekvence utripa med dvema takima laserjema – nekaj, kar prej ni bilo praktično na integriranem vezju.

Glede na ogromen nabor aplikacij za ultra tihe laserje v sodobni tehnologiji ekipa pravi, da je možnost uporabe takih laserjev v integrirani silicijevi fotoniki velik korak naprej. »Končno imamo lahko na istem čipu skupaj najboljše aktivne naprave in najboljše pasivne naprave,« pravi Xiang. "Za naslednji korak bomo uporabili tiste zelo tihe laserje, da bi omogočili zelo kompleksne optične funkcije, kot je na primer natančno meroslovje in zaznavanje."

Metapovršine puščajočih valov povezujejo valovode z optiko prostega prostora

Scott Diddams, optični fizik z Univerze Colorado, Boulder, ZDA, ki ni bil vključen v raziskavo, je navdušen: »Ta problem integriranih laserjev z optičnimi izolatorji je bil poguba skupnosti že vsaj desetletje in nihče ni znano, kako rešiti problem izdelave laserja z resnično nizko stopnjo hrupa na čipu … zato je to pravi preboj,« pravi. "Ljudje, kot je John Bowers, so delali na tem področju že 20 let, zato so poznali osnovne gradnike, vendar ugotoviti, kako vse skupaj narediti popolno delovanje, ni le kot spajanje kosov skupaj."

Diddams dodaja, da bo nova integrirana naprava verjetno "zelo vplivna" v kvantnem računalništvu. »Resna podjetja poskušajo zgraditi platforme, ki vključujejo atome in ione – ti atomi in ioni delujejo v zelo specifičnih barvah, mi pa se z njimi pogovarjamo z lasersko svetlobo,« pojasnjuje. "Ni možnosti, da bi kdo kdaj zgradil delujoč kvantni računalnik v velikem obsegu brez integrirane fotonike, kot je ta."

Raziskava je objavljena v Narava.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Avtomobili/EV, Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• BlockOffsets. Posodobitev okoljskega offset lastništva. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/all-in-one-chip-combines-laser-and-photonic-waveguide-for-the-first-time/