تراشه همه کاره لیزر و موجبر فوتونیک را برای اولین بار ترکیب می کند - Physics World

محققان در ایالات متحده برای اولین بار لیزرهای بسیار کم نویز و موجبرهای فوتونیک را روی یک تراشه ادغام کردند. این دستاورد طولانی مدت می‌تواند انجام آزمایش‌های با دقت بالا با ساعت‌های اتمی و سایر فناوری‌های کوانتومی در یک دستگاه یکپارچه را امکان‌پذیر کند و نیاز به جداول نوری به اندازه اتاق را در کاربردهای خاص از بین ببرد.

زمانی که الکترونیک در مراحل اولیه خود بود، محققان با دیودها، ترانزیستورها و غیره به عنوان دستگاه های مستقل کار می کردند. پتانسیل واقعی این فناوری تنها پس از سال 1959 محقق شد، زمانی که اختراع مدار مجتمع امکان بسته بندی همه این اجزا را روی یک تراشه فراهم کرد. محققان فوتونیک مایلند کار مشابهی از ادغام انجام دهند، اما با مانعی روبرو هستند: «برای یک پیوند فوتونیک، ما باید از یک منبع نور، که معمولاً لیزر است، به عنوان فرستنده برای ارسال سیگنال به پیوندهای نوری پایین دست استفاده کنیم. الیاف یا موجبرها، توضیح می دهد چائو شیانگ، که به عنوان پسادکتر این تحقیق را رهبری کرد جان باورز گروه در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا. اما وقتی نور را به بیرون می فرستید، معمولاً مقداری بازتاب به عقب ایجاد می کند: این بازتاب به لیزر برمی گردد و آن را بسیار ناپایدار می کند.

برای جلوگیری از چنین بازتابی، محققان معمولاً جداکننده‌ها را وارد می‌کنند. اینها به نور اجازه می دهند تنها در یک جهت عبور کند و دو طرفه طبیعی انتشار نور را از بین می برد. مشکل این است که جداسازهای استاندارد صنعتی این کار را با استفاده از یک میدان مغناطیسی انجام می دهند، که مشکلاتی را برای تاسیسات تراشه سازی ایجاد می کند. شیانگ، که اکنون در دانشگاه هنگ کنگ است، توضیح می‌دهد: «مجموعه‌های CMOS الزامات بسیار سخت‌گیرانه‌ای در مورد آنچه می‌توانند در اتاق تمیز داشته باشند، دارند. "مواد مغناطیسی معمولاً مجاز نیستند."

یکپارچه اما مجزا

از آنجایی که دماهای بالای مورد نیاز برای بازپخت موجبرها می‌تواند به اجزای دیگر آسیب برساند، Xiang، Bowers و همکارانش با ساخت موجبرهای نیترید سیلیکونی بسیار کم بر روی یک بستر سیلیکونی شروع به کار کردند. سپس موجبرها را با چندین لایه از مواد مبتنی بر سیلیکون پوشانده و یک لیزر فسفات ایندیوم کم نویز را در بالای پشته نصب کردند. اگر آنها لیزر و موجبر را با هم نصب می کردند، اچینگ درگیر در ساخت لیزر به موجبرها آسیب می رساند، اما اتصال لایه های بعدی در بالا این مشکل را کنار گذاشت.

جداسازی لیزر و موجبرها همچنین به این معنی بود که تنها راهی که دو دستگاه می‌توانستند برهم‌کنش داشته باشند، جفت شدن از طریق یک «لایه توزیع مجدد» نیترید سیلیکون میانی از طریق میدان‌های ناپایدارشان بود (اجزای یک میدان الکترومغناطیسی که منتشر نمی‌شوند، اما در عوض به طور تصاعدی فروپاشی می‌کنند. منبع). بنابراین فاصله بین آنها تداخل ناخواسته را به حداقل رساند. شیانگ می‌گوید: «لیزر بالا و موجبر با تلفات فوق‌العاده پایین بسیار دور هستند، بنابراین هر دو می‌توانند به تنهایی بهترین عملکرد ممکن را داشته باشند. کنترل لایه توزیع مجدد نیترید سیلیکون به آنها امکان می دهد دقیقاً در جایی که می خواهید باشند جفت شوند. بدون آن، آنها با هم جفت نمی‌شوند.»

ترکیب بهترین دستگاه های فعال و غیرفعال

محققان نشان دادند که این مجموعه لیزر در برابر نویز در سطوح مورد انتظار در آزمایش‌های استاندارد قوی بود. آنها همچنین سودمندی دستگاه خود را با تولید یک مولد فرکانس مایکروویو قابل تنظیم با تنظیم فرکانس ضربان بین دو لیزر نشان دادند - چیزی که قبلاً در یک مدار مجتمع عملی نبود.

با توجه به کاربردهای بسیار زیاد لیزرهای با نویز فوق العاده کم در فناوری مدرن، این تیم می گویند که استفاده از چنین لیزرهایی در فوتونیک سیلیکونی یکپارچه جهشی بزرگ به جلو است. شیانگ می‌گوید: «در نهایت، در یک تراشه، می‌توانیم بهترین دستگاه‌های فعال و بهترین دستگاه‌های غیرفعال را با هم داشته باشیم». برای گام بعدی، ما از لیزرهای بسیار کم نویز برای فعال کردن عملکردهای نوری بسیار پیچیده مانند اندازه‌گیری و سنجش دقیق استفاده می‌کنیم.»

فراسطح های موج نشتی موجبرها را به اپتیک های فضای آزاد متصل می کنند

اسکات دیدمزیک فیزیکدان نوری در دانشگاه کلرادو، بولدر، ایالات متحده، که در این تحقیق شرکت نداشت، تحت تأثیر قرار گرفته است: «این مشکل لیزرهای یکپارچه با جداکننده های نوری حداقل برای یک دهه آفت جامعه بوده است و هیچ کس آن را نداشته است. او می‌گوید چگونه می‌توان مشکل ساخت یک لیزر بسیار کم نویز را بر روی تراشه حل کرد... بنابراین این یک پیشرفت واقعی است. افرادی مانند جان باورز به مدت 20 سال در این زمینه کار می کردند، و بنابراین آنها بلوک های اصلی ساختمان را می دانستند، اما فهمیدن اینکه چگونه می توان همه آنها را به طور کامل با هم کار کرد، فقط مانند پیچ ​​و تاب کردن قطعات به هم نیست.

دیدمز اضافه می کند که دستگاه یکپارچه جدید احتمالاً در محاسبات کوانتومی "بسیار تاثیرگذار" خواهد بود. او توضیح می‌دهد: «شرکت‌های جدی در تلاش هستند تا پلتفرم‌هایی بسازند که شامل اتم‌ها و یون‌ها باشد – آن اتم‌ها و یون‌ها در رنگ‌های بسیار خاصی عمل می‌کنند و ما با نور لیزر با آنها صحبت می‌کنیم.» هیچ راهی وجود ندارد که یک کامپیوتر کوانتومی کارآمد در مقیاس بدون فوتونیک یکپارچه مانند این بسازد.

این تحقیق در منتشر شده است طبیعت.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. خودرو / خودروهای الکتریکی، کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• BlockOffsets. نوسازی مالکیت افست زیست محیطی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/all-in-one-chip-combines-laser-and-photonic-waveguide-for-the-first-time/