Yale Egyetem: Új mélypontot ért el a chip-skálájú fotonikus rezonátorok ultraibolya fényvesztesége

A fotonika információkommunikációban és kvantumszámítástechnikában betöltött kulcsszerepe miatt az ultraibolya fény kutatása különösen fontos. A Yale Egyetem kutatócsoportja sikeresen megépített egy chip-alapú fotonikus rezonátort, amely az ultraibolya (UV) látható fény spektrumában működik, és példátlanul alacsony UV-fényveszteséget mutat. Ez az új rezonátor szilárd alapot biztosít az ultraibolya fotonikus integrált áramkörök (PIC) tervezési méretének, összetettségének és hűségének bővítéséhez, és várhatóan előmozdítja a mikrochip-alapú eszközök alkalmazását a spektrális érzékelésben, a víz alatti kommunikációban és a kvantuminformáció-feldolgozásban.

Az 1. ábrán látható chipméretű gyűrűrezonátor az ultraibolya-látható spektrumban működik, és rekordalacsony UV-fényveszteséget ér el. A rezonátor (középen kis kör) kék fénnyel látható.

Chengxing He, a Yale Egyetem kutatócsoportjának tagja a következőket mondta: "A viszonylag kiforrott telekommunikációs fotonikához és látható fotonikához képest az ultraibolya fotonika kutatása még mindig viszonylag kicsi. Tekintettel azonban az ultraibolya hullámhossz használatának szükségességére az atom/ion alapú kvantumszámítógépben bizonyos atomi állapotátmenetek manipulálására és a biokémiai molekulák specifikus fluorok aktiválására. rendkívül értékes kutatásunk fontos alapot teremt az ultraibolya hullámhosszú fotonikus áramkörök felépítéséhez.

A tanulmányban a kutatók egy timföld alapú optikai mikrorezonátort írnak le, és azt, hogy miként értek el példátlanul alacsony veszteséget ultraibolya hullámhosszon a megfelelő anyagok és az optimalizált tervezés és gyártás kombinálásával.

Hong Tang, a kutatócsoport vezetője elmondta: "Kutatásunk azt mutatja, hogy az ultraibolya fotonikus integrált áramkörök (UV PIC) most olyan fordulóponthoz érkeztek, ahol a fényveszteség nem nagyobb az ultraibolya spektrumban, mint a látható tartományban. Ez azt jelenti, hogy az összes korábban látható és telekommunikációs hullámhosszra kifejlesztett fejlett PIC-struktúra, mint például a frekvenciafésűk és az injekciós hullámrögzítő technológiák, most kiterjeszthetők az ultraibolya hullámokra is."

DOI: https://doi.org/10.1364/OE.492510

Alumínium-oxid mikrorezonátor: csökkenti a fényveszteséget

kép

A mikrorezonátor kiváló minőségű alumínium-oxid filmből készült, amelyet az Integris társszerzői, Carlo Waldfried és Jun-Fei Zheng készítettek fejlett atomréteg-lerakódás (ALD) technológiával. Az alumínium-oxid nagy sávszélességgel rendelkezik (körülbelül 8 eV), így átlátszóvá válik az alacsonyabb energiájú (kb. 4 eV) ultraibolya fotonok számára, így az anyag nem nyeli el az ultraibolya fényt.

Az előző rekordot alumínium-nitrid felhasználásával érték el, körülbelül 6 eV sávszélességgel. Az egykristályos alumínium-nitriddel ellentétben az alumínium-oxiddal leválasztott amorf atomi rétegek kevesebb hibával rendelkeznek, könnyebben előállíthatók, és kisebb a fényveszteségük.

A mikrorezonátor gyártása során a kutatók alumínium-oxidot marattak, hogy olyan szerkezetet hozzanak létre, amelyet általában "bordás hullámvezetőnek" neveznek. Ebben a bordás hullámvezetőben egy keskeny csík a tetején olyan szerkezetet alkot, amely korlátozza a fény terjedését. Minél mélyebb a hullámvezető bordája, annál erősebb a fénykényszer, de ez azt is jelenti, hogy a szórási veszteség nő. A szerkezet optimalizálása érdekében szimulációs technikákat alkalmaztak az optimális maratási mélység meghatározására, az ideális nyalábkorlát elérésére törekedve, miközben minimalizálták a szórási veszteségeket.

Gyűrűrezonátorok: Teljesítményértékelés és integrációs kilátások

kép

A kutatócsoport a hullámvezetők tanulmányozása során szerzett tapasztalatait egy 400 μm sugarú gyűrűrezonátor elkészítésében alkalmazta. Megfigyelték, hogy a 400 nm vastagságú alumínium-oxid filmeken, amikor a maratási mélység meghaladja a 80 nm-t, a sugárzási veszteség 488,5 nm-en 0,06 dB/cm alá, 390 nm-en pedig 0,001 dB/cm alá csökken.

Az ezen paraméterek szerint épített gyűrűrezonátoron a kutatók a rezonanciacsúcs szélességének mérésével értékelték a Q minőségi tényezőt, és pásztázták a rezonátor optikai frekvenciáját. Az eredmények azt mutatják, hogy a minőségi tényező akár 1,5 × 106 390 nm-es hullámhosszon (UV-tartomány) és 1,9 × 106 488,5 nm-en (látható kék tartomány) (a magasabb minőségi tényező kevesebb fényveszteséget jelent).

A kifejezetten látható fényre vagy telekommunikációs hullámhosszra tervezett PIC-ekhez képest az UV PIC-k előnyt jelenthetnek a kommunikációs területen, mivel szélesebb sávszélességük, vagy bizonyos körülmények között, például víz alatt, kevésbé könnyen nyelődnek el. A timföld előállításához használt atomi réteges leválasztás technológia kompatibilis a CMOS technológiával, amely lehetőséget teremt a CMOS és az amorf alumínium-oxid fotonika fúziójára.

Jelenleg a kutatók olyan alumínium-oxid alapú gyűrűrezonátorok kifejlesztésén dolgoznak, amelyek többféle hullámhosszra hangolhatók. Ez segít a precíz hullámhossz-szabályozás elérésében, vagy modulátorok fejlesztésében két kölcsönható rezonátor használatával. Emellett a PIC-be integrált UV-fényforrás kifejlesztését is tervezik egy teljes, Pic-alapú UV-rendszer kiépítéséhez.

Az extrém ultraibolya fény (EUV) az ultraibolya (UV) tartomány egyik alterülete, amelynek rövidebb a hullámhossza, mint más UV-alrégiók, és gyakran használják nagy pontosságú műszaki alkalmazásokhoz. Kína kutatási színvonalának javítása az extrém ultraibolya fényforrásokkal kapcsolatos tudományos, technológiai és alkalmazási területeken, valamint az extrém ultraibolya fényforrás átfogó fejlesztésének elősegítése érdekében a világ tudományos határterületére, a nemzetstratégiai szükségletekre, a nemzetgazdaság, az információ és a mesterséges intelligencia fő harcterére, a China Laser az Extrém Ultraibolya fényforrás és alkalmazás témát tervezi közzétenni a legújabb 7. számában (A 20. évfolyam 24. számában). extrém ultraibolya fényforrás a kutatásban és a műszaki alkalmazásokban, valamint elősegíti a magas színvonalú összetett tehetségek képzését és a kapcsolódó tudományágak építését.