Alt-i-en chip kombinerer laser og fotonisk bølgeleder for første gang

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Foto af det fotoniske integrerede kredsløb — Alt i ét: Et foto af det fotoniske integrerede kredsløb. Chippen blev fremstillet i lag med laseren på toppen og bølgelederne i bunden. (Med høflighed: Chao Xiang)

Forskere i USA har for første gang integreret lasere med ultralav støj og fotoniske bølgeledere på en enkelt chip. Denne længe søgte præstation kunne gøre det muligt at udføre højpræcisionseksperimenter med atomure og andre kvanteteknologier inden for en enkelt integreret enhed, hvilket fjerner behovet for optiske borde i rumstørrelse i visse applikationer.

Da elektronik var i sin vorden, arbejdede forskere med dioder, transistorer og så videre som selvstændige enheder. Teknologiens sande potentiale blev først realiseret efter 1959, hvor opfindelsen af det integrerede kredsløb gjorde det muligt at pakke alle disse komponenter på en chip. Fotonikforskere vil gerne udføre en lignende bedrift med integration, men de står over for en forhindring: "For et fotonisk link skal vi bruge en lyskilde, som normalt er en laser, som senderen til at sende signalet til de nedstrøms optiske links som f.eks. fibrene eller bølgelederne,” forklarer Chao Xiang, der ledede forskningen som postdoc i John Bowers' gruppe ved University of California, Santa Barbara. "Men når du sender lyset ud, vil det normalt generere en vis tilbagereflektion: Det går tilbage i laseren og gør den meget ustabil."

For at undgå sådanne refleksioner indsætter forskere normalt isolatorer. Disse tillader lys at passere i kun én retning og bryder den naturlige tovejs gensidighed af lysudbredelse. Vanskeligheden er, at industristandardisolatorer opnår dette ved hjælp af et magnetfelt, hvilket giver problemer for chipfremstillingsfaciliteter. "CMOS-fabrikanter har meget strenge krav til, hvad de kan have i renrummet," forklarer Xiang, som nu er på University of Hong Kong. "Magnetiske materialer er normalt ikke tilladt."

Integreret, men separat

Da de høje temperaturer, der kræves til udglødning af bølgeledere, kan beskadige andre komponenter, begyndte Xiang, Bowers og kolleger med at fremstille siliciumnitridbølgeledere med ultralavt tab på et siliciumsubstrat. De dækkede derefter bølgelederne med flere lag siliciumbaserede materialer og monterede en støjsvag indiumfosfatlaser øverst på stakken. Havde de monteret laseren og bølgelederen sammen, ville ætsningen, der var involveret i fremstillingen af laseren, have beskadiget bølgelederne, men ved at binde de efterfølgende lag på toppen omgik dette problem.

At adskille laseren og bølgelederne betød også, at den eneste måde, de to enheder kunne interagere på, var ved at koble gennem et mellemliggende siliciumnitrid "omfordelingslag" via deres forsvindende felter (komponenterne i et elektromagnetisk felt, der ikke forplanter sig, men i stedet henfalder eksponentielt væk fra en kilde). Afstanden mellem dem minimerede dermed uønsket interferens. "Den øverste laser og den nederste bølgeleder med ultralavt tab er meget langt væk," siger Xiang, "så de kan begge have den bedst mulige ydeevne på egen hånd. Styringen af omfordelingslaget af siliciumnitrid gør, at de kan kobles præcis, hvor du vil have dem. Uden den ville de ikke parre sig.”

Kombinerer de bedste aktive og passive enheder

Forskerne viste, at denne laseropsætning var robust over for støj på de niveauer, der forventes i standardeksperimenter. De demonstrerede også anvendeligheden af deres enhed ved at producere en afstembar mikrobølgefrekvensgenerator ved at justere slagfrekvensen mellem to sådanne lasere - noget, der ikke tidligere var praktisk på et integreret kredsløb.

I betragtning af det enorme udvalg af applikationer til lasere med ultralav støj i moderne teknologi, siger teamet, at det er et stort spring fremad at kunne bruge sådanne lasere i integreret siliciumfotonik. "Endelig, på den samme chip, kan vi have de bedste aktive enheder og de bedste passive enheder sammen," siger Xiang. "Til det næste trin vil vi bruge disse meget ultralavstøjs-lasere til at muliggøre meget komplekse optiske funktionaliteter som for eksempel i præcisionsmetrologi og sensing."

Leaky-wave metasurfaces forbinder bølgeledere med frirumsoptik

Scott Diddams, en optisk fysiker ved University of Colorado, Boulder, USA, som ikke var involveret i forskningen, er imponeret: "Dette problem med integrerede lasere med optiske isolatorer har været samfundets bane i mindst et årti, og ingen havde ved, hvordan man løser problemet med at lave en virkelig støjsvag laser på chip...så det her er et rigtigt gennembrud,” siger han. "Folk som John Bowers havde arbejdet inden for dette felt i 20 år, og så kendte de de grundlæggende byggesten, men at finde ud af, hvordan man får dem alle til at fungere perfekt sammen, er ikke bare som at bolte stykker sammen."

Diddams tilføjer, at den nye integrerede enhed sandsynligvis vil være "meget virkningsfuld" inden for kvanteberegning. "Seriøse virksomheder forsøger at bygge platforme, der involverer atomer og ioner - disse atomer og ioner opererer i meget specifikke farver, og vi taler med dem med laserlys," forklarer han. "Der er bare ingen måde, at man nogensinde kommer til at bygge en fungerende kvantecomputer i skala uden integreret fotonik som denne."

Forskningen er offentliggjort i Natur.