Lần đầu tiên chip tất cả trong một kết hợp laser và ống dẫn sóng quang tử – Physics World

Các nhà nghiên cứu ở Mỹ lần đầu tiên đã tích hợp các tia laser có độ ồn cực thấp và các ống dẫn sóng quang tử vào một con chip. Thành tựu được mong đợi từ lâu này có thể giúp thực hiện các thí nghiệm có độ chính xác cao với đồng hồ nguyên tử và các công nghệ lượng tử khác trong một thiết bị tích hợp duy nhất, loại bỏ nhu cầu về các bảng quang có kích thước bằng phòng trong một số ứng dụng nhất định.

Khi thiết bị điện tử còn sơ khai, các nhà nghiên cứu đã làm việc với đi-ốt, bóng bán dẫn, v.v. như những thiết bị độc lập. Tiềm năng thực sự của công nghệ này chỉ được nhận ra sau năm 1959, khi phát minh ra mạch tích hợp cho phép đóng gói tất cả các thành phần này vào một con chip. Các nhà nghiên cứu quang tử muốn thực hiện một kỳ tích tích hợp tương tự, nhưng họ gặp phải trở ngại: “Đối với liên kết quang tử, chúng tôi cần sử dụng nguồn sáng, thường là tia laze, làm bộ phát để gửi tín hiệu đến các liên kết quang xuôi dòng như các sợi hoặc ống dẫn sóng,” giải thích Triều Tương, người đứng đầu nghiên cứu với tư cách là một postdoc tại John Bowers' nhóm tại Đại học California, Santa Barbara. “Nhưng khi bạn phát ra ánh sáng, thông thường nó sẽ tạo ra một số phản xạ ngược: phản xạ ngược trở lại tia laser và khiến nó rất không ổn định.”

Để tránh những phản xạ như vậy, các nhà nghiên cứu thường chèn các bộ cách ly. Những thứ này cho phép ánh sáng chỉ truyền theo một hướng, phá vỡ tính tương hỗ hai chiều tự nhiên của sự truyền ánh sáng. Khó khăn là các bộ cách ly tiêu chuẩn công nghiệp thực hiện điều này bằng cách sử dụng từ trường, điều này gây ra vấn đề cho các cơ sở sản xuất chip. “Các nhà máy CMOS có những yêu cầu rất nghiêm ngặt về những gì họ có thể có trong phòng sạch,” Xiang, người hiện đang làm việc tại Đại học Hồng Kông, giải thích. “Vật liệu từ tính thường không được phép sử dụng.”

Tích hợp, nhưng riêng biệt

Do nhiệt độ cao cần thiết để ủ các ống dẫn sóng có thể làm hỏng các thành phần khác nên Xiang, Bowers và các đồng nghiệp đã bắt đầu bằng cách chế tạo các ống dẫn sóng silicon nitride tổn hao cực thấp trên đế silicon. Sau đó, họ bao phủ các ống dẫn sóng bằng nhiều lớp vật liệu dựa trên silicon và gắn một tia laser indium phosphate có độ ồn thấp ở trên cùng của ngăn xếp. Nếu họ gắn tia laser và ống dẫn sóng lại với nhau, quá trình khắc liên quan đến việc chế tạo tia laser sẽ làm hỏng ống dẫn sóng, nhưng việc liên kết các lớp tiếp theo trên cùng đã tránh được vấn đề này.

Việc tách riêng tia laser và ống dẫn sóng cũng có nghĩa là cách duy nhất để hai thiết bị có thể tương tác là ghép nối qua một “lớp phân phối lại” silicon nitride trung gian thông qua các trường biến thiên của chúng (các thành phần của trường điện từ không lan truyền mà thay vào đó phân rã theo cấp số nhân từ một nguồn). Khoảng cách giữa chúng do đó giảm thiểu nhiễu không mong muốn. Xiang nói: “Laser phía trên và ống dẫn sóng suy hao cực thấp phía dưới ở rất xa, vì vậy cả hai đều có thể có hiệu suất tốt nhất có thể khi hoạt động riêng lẻ. Việc kiểm soát lớp phân phối lại silicon nitride cho phép chúng được ghép nối chính xác ở nơi bạn muốn. Không có nó, họ sẽ không thành đôi.”

Kết hợp các thiết bị chủ động và thụ động tốt nhất

Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng thiết lập laser này có khả năng chống nhiễu mạnh ở mức dự kiến ​​trong các thí nghiệm tiêu chuẩn. Họ cũng chứng minh tính hữu ích của thiết bị của mình bằng cách tạo ra một máy phát tần số vi sóng có thể điều chỉnh được bằng cách điều chỉnh tần số nhịp giữa hai tia laser như vậy – một điều trước đây không thực tế trên một mạch tích hợp.

Với phạm vi ứng dụng rộng lớn của laser có độ ồn cực thấp trong công nghệ hiện đại, nhóm nghiên cứu cho rằng việc có thể sử dụng các laser như vậy trong quang tử silicon tích hợp là một bước tiến lớn. Xiang cho biết: “Cuối cùng, trên cùng một con chip, chúng ta có thể có các thiết bị chủ động tốt nhất và thiết bị thụ động tốt nhất cùng nhau. “Đối với bước tiếp theo, chúng tôi sẽ sử dụng các tia laser có độ ồn cực thấp đó để kích hoạt các chức năng quang học rất phức tạp, chẳng hạn như trong cảm biến và đo lường chính xác.”

Siêu giao diện sóng rò rỉ kết nối ống dẫn sóng với quang học không gian tự do

Scott Diddams, một nhà vật lý quang học tại Đại học Colorado, Boulder, Hoa Kỳ, người không tham gia nghiên cứu, rất ấn tượng: “Vấn đề về tia laser tích hợp với bộ cách ly quang học này đã trở thành vấn đề nan giải của cộng đồng trong ít nhất một thập kỷ và chưa ai từng đã biết cách giải quyết vấn đề tạo ra tia laze có độ ồn cực thấp trên chip…vì vậy đây là một bước đột phá thực sự,” ông nói. “Những người như John Bowers đã làm việc trong lĩnh vực này được 20 năm nên họ biết các khối xây dựng cơ bản, nhưng tìm ra cách làm cho tất cả chúng hoạt động hoàn hảo với nhau không chỉ giống như việc ghép các mảnh lại với nhau.”

Diddams cho biết thêm rằng thiết bị tích hợp mới có khả năng “rất có tác động” trong điện toán lượng tử. Ông giải thích: “Các công ty nghiêm túc đang cố gắng xây dựng các nền tảng liên quan đến các nguyên tử và ion – những nguyên tử và ion đó hoạt động ở những màu sắc rất đặc biệt và chúng tôi nói chuyện với chúng bằng ánh sáng laser. “Không đời nào người ta có thể xây dựng một máy tính lượng tử hoạt động ở quy mô lớn mà không có lượng tử quang tích hợp như thế này.”

Nghiên cứu được xuất bản trong Thiên nhiên.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Ô tô / Xe điện, Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• BlockOffsets. Hiện đại hóa quyền sở hữu bù đắp môi trường. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/all-in-one-chip-combines-laser-and-photonic-waveguide-for-the-first-time/