Τσιπ όλα σε ένα συνδυάζει λέιζερ και φωτονικό κυματοδηγό για πρώτη φορά

Αναδημοσίευση από τον Πλάτωνα

Ακολουθούν: 0

Φωτογραφία του φωτονικού ολοκληρωμένου κυκλώματος — Όλα σε ένα: Μια φωτογραφία του φωτονικού ολοκληρωμένου κυκλώματος. Το τσιπ κατασκευάστηκε σε στρώματα, με το λέιζερ στην κορυφή και τους κυματοδηγούς στο κάτω μέρος. (Ευγενική προσφορά: Chao Xiang)

Ερευνητές στις ΗΠΑ ενσωμάτωσαν για πρώτη φορά λέιζερ εξαιρετικά χαμηλού θορύβου και φωτονικούς κυματοδηγούς σε ένα μόνο τσιπ. Αυτό το πολυπόθητο επίτευγμα θα μπορούσε να καταστήσει δυνατή την εκτέλεση πειραμάτων υψηλής ακρίβειας με ατομικά ρολόγια και άλλες κβαντικές τεχνολογίες σε μια ενιαία ενσωματωμένη συσκευή, αφαιρώντας την ανάγκη για οπτικούς πίνακες μεγέθους δωματίου σε ορισμένες εφαρμογές.

Όταν τα ηλεκτρονικά ήταν στα σπάργανα, οι ερευνητές εργάζονταν με διόδους, τρανζίστορ και ούτω καθεξής ως αυτόνομες συσκευές. Οι πραγματικές δυνατότητες της τεχνολογίας έγιναν αντιληπτές μόνο μετά το 1959, όταν η εφεύρεση του ολοκληρωμένου κυκλώματος κατέστησε δυνατή τη συσκευασία όλων αυτών των στοιχείων σε ένα τσιπ. Οι ερευνητές φωτονικής θα ήθελαν να πραγματοποιήσουν ένα παρόμοιο επίτευγμα ολοκλήρωσης, αλλά αντιμετωπίζουν ένα εμπόδιο: «Για μια φωτονική ζεύξη πρέπει να χρησιμοποιήσουμε μια πηγή φωτός, η οποία είναι συνήθως ένα λέιζερ, ως πομπό για να στείλει το σήμα στους κατάντη οπτικούς συνδέσμους όπως τις ίνες ή τους κυματοδηγούς», εξηγεί Τσάο Σιάνγκ, ο οποίος ηγήθηκε της έρευνας ως μεταδιδάκτορας στο Τζον Μπάουερς ομάδα στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα. «Αλλά όταν στέλνετε το φως, κανονικά θα δημιουργήσει κάποια ανάκλαση: αυτή επιστρέφει στο λέιζερ και το κάνει πολύ ασταθές».

Για να αποφύγουν τέτοιες αντανακλάσεις, οι ερευνητές συνήθως τοποθετούν απομονωτές. Αυτά επιτρέπουν στο φως να περάσει μόνο προς μία κατεύθυνση, σπάζοντας τη φυσική αμφίδρομη αμοιβαιότητα της διάδοσης του φωτός. Η δυσκολία είναι ότι οι βιομηχανικοί απομονωτές το επιτυγχάνουν αυτό χρησιμοποιώντας ένα μαγνητικό πεδίο, το οποίο δημιουργεί προβλήματα στις εγκαταστάσεις κατασκευής τσιπ. «Οι fabs CMOS έχουν πολύ αυστηρές απαιτήσεις για το τι μπορούν να έχουν στο καθαρό δωμάτιο», εξηγεί ο Xiang, ο οποίος είναι τώρα στο Πανεπιστήμιο του Χονγκ Κονγκ. "Τα μαγνητικά υλικά συνήθως δεν επιτρέπονται."

Ολοκληρωμένο, αλλά ξεχωριστό

Δεδομένου ότι οι υψηλές θερμοκρασίες που απαιτούνται για την ανόπτηση των κυματοδηγών μπορούν να βλάψουν άλλα εξαρτήματα, οι Xiang, Bowers και συνεργάτες ξεκίνησαν κατασκευάζοντας κυματοδηγούς νιτριδίου πυριτίου εξαιρετικά χαμηλής απώλειας σε ένα υπόστρωμα πυριτίου. Στη συνέχεια κάλυψαν τους κυματοδηγούς με πολλά στρώματα υλικών με βάση το πυρίτιο και τοποθέτησαν ένα λέιζερ φωσφορικού ινδίου χαμηλού θορύβου στην κορυφή της στοίβας. Αν είχαν τοποθετήσει το λέιζερ και τον κυματοδηγό μαζί, η χάραξη που εμπλέκεται στην κατασκευή του λέιζερ θα είχε καταστρέψει τους κυματοδηγούς, αλλά η συγκόλληση των επόμενων στρωμάτων στην κορυφή παρέκαμψε αυτό το πρόβλημα.

Ο διαχωρισμός του λέιζερ και των κυματοδηγών σήμαινε επίσης ότι ο μόνος τρόπος αλληλεπίδρασης των δύο συσκευών ήταν η σύζευξη μέσω ενός ενδιάμεσου "στρώματος ανακατανομής νιτριδίου του πυριτίου" μέσω των παροδικών πεδίων τους (τα συστατικά ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου που δεν διαδίδονται αλλά αντίθετα διασπώνται εκθετικά μακριά από μια πηγή). Η απόσταση μεταξύ τους ελαχιστοποιούσε έτσι τις ανεπιθύμητες παρεμβολές. «Το επάνω λέιζερ και ο κάτω κυματοδηγός εξαιρετικά χαμηλής απώλειας είναι πολύ μακριά», λέει ο Xiang, «έτσι μπορούν και οι δύο να έχουν την καλύτερη δυνατή απόδοση μόνοι τους. Ο έλεγχος του στρώματος ανακατανομής νιτριδίου του πυριτίου τους επιτρέπει να συζευχθούν ακριβώς εκεί που θέλετε να είναι. Χωρίς αυτό, δεν θα ζευγαρώσουν».

Συνδυάζοντας τις καλύτερες ενεργητικές και παθητικές συσκευές

Οι ερευνητές έδειξαν ότι αυτή η διάταξη λέιζερ ήταν ανθεκτική στο θόρυβο στα επίπεδα που αναμένονταν σε τυπικά πειράματα. Έδειξαν επίσης τη χρησιμότητα της συσκευής τους παράγοντας μια ρυθμιζόμενη γεννήτρια συχνότητας μικροκυμάτων προσαρμόζοντας τη συχνότητα παλμού μεταξύ δύο τέτοιων λέιζερ – κάτι που δεν ήταν προηγουμένως πρακτικό σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα.

Δεδομένου του τεράστιου εύρους εφαρμογών για λέιζερ εξαιρετικά χαμηλού θορύβου στη σύγχρονη τεχνολογία, η ομάδα λέει ότι η δυνατότητα χρήσης τέτοιων λέιζερ σε ενσωματωμένη φωτονική πυριτίου είναι ένα μεγάλο άλμα προς τα εμπρός. «Τέλος, στο ίδιο τσιπ, μπορούμε να έχουμε τις καλύτερες ενεργές συσκευές και τις καλύτερες παθητικές συσκευές μαζί», λέει ο Xiang. «Για το επόμενο βήμα, θα χρησιμοποιήσουμε αυτά τα λέιζερ πολύ χαμηλού θορύβου για να επιτρέψουμε πολύ σύνθετες οπτικές λειτουργίες όπως, για παράδειγμα, στη μετρολογία και την ανίχνευση ακριβείας».

Οι μεταεπιφάνειες διαρροών κυμάτων συνδέουν τους κυματοδηγούς με τα οπτικά στοιχεία ελεύθερου χώρου

Σκοτ Ντίνταμς, ένας οπτικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο, Boulder, ΗΠΑ, ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα, είναι εντυπωσιασμένος: «Αυτό το πρόβλημα των ενσωματωμένων λέιζερ με οπτικούς απομονωτές ήταν ο όλεθρος της κοινότητας για τουλάχιστον μια δεκαετία και κανείς δεν είχε γνωστός τρόπος επίλυσης του προβλήματος της κατασκευής ενός λέιζερ πραγματικά χαμηλού θορύβου σε τσιπ… έτσι αυτή είναι μια πραγματική ανακάλυψη», λέει. «Άνθρωποι όπως ο John Bowers εργάζονταν σε αυτόν τον τομέα για 20 χρόνια, και έτσι ήξεραν τα βασικά δομικά στοιχεία, αλλά το να βρεις πώς να τα κάνεις όλα να λειτουργούν τέλεια μαζί δεν είναι απλώς σαν να βιδώνεις κομμάτια μαζί».

Ο Diddams προσθέτει ότι η νέα ενσωματωμένη συσκευή είναι πιθανό να έχει «πολύ αντίκτυπο» στον κβαντικό υπολογισμό. «Σοβαρές εταιρείες προσπαθούν να δημιουργήσουν πλατφόρμες που περιλαμβάνουν άτομα και ιόντα – αυτά τα άτομα και τα ιόντα λειτουργούν σε πολύ συγκεκριμένα χρώματα και μιλάμε μαζί τους με φως λέιζερ», εξηγεί. «Δεν υπάρχει κανένας τρόπος να κατασκευάσει κανείς έναν λειτουργικό κβαντικό υπολογιστή σε κλίμακα χωρίς ολοκληρωμένη φωτονική όπως αυτή».

Η έρευνα δημοσιεύεται στο Φύση.