Chip All-in-one Menggabungkan Laser dan Pandu Gelombang Fotonik Untuk Pertama Kalinya

Diterbitkan Ulang Oleh Plato

Followers: 0

Foto sirkuit terpadu fotonik — Semua dalam satu: Foto sirkuit terintegrasi fotonik. Chip dibuat berlapis-lapis, dengan laser di bagian atas dan pandu gelombang di bagian bawah. (Sumber: Chao Xiang)

Para peneliti di AS telah mengintegrasikan laser ultralow-noise dan pandu gelombang fotonik ke dalam satu chip untuk pertama kalinya. Pencapaian yang telah lama dicari ini memungkinkan untuk melakukan eksperimen presisi tinggi dengan jam atom dan teknologi kuantum lainnya dalam satu perangkat terintegrasi, menghilangkan kebutuhan akan meja optik berukuran ruangan dalam aplikasi tertentu.

Ketika elektronik masih dalam masa pertumbuhan, para peneliti bekerja dengan dioda, transistor, dan sebagainya sebagai perangkat yang berdiri sendiri. Potensi sebenarnya dari teknologi baru disadari setelah tahun 1959, ketika penemuan sirkuit terintegrasi memungkinkan untuk mengemas semua komponen ini ke dalam sebuah chip. Peneliti Photonics ingin melakukan integrasi yang serupa, tetapi mereka menghadapi rintangan: “Untuk tautan fotonik kita perlu menggunakan sumber cahaya, yang biasanya berupa laser, sebagai pemancar untuk mengirim sinyal ke tautan optik hilir seperti serat atau pandu gelombang, ”jelasnya Chao Xiang, yang memimpin penelitian sebagai postdoc di John Bowers' kelompok di Universitas California, Santa Barbara. "Tetapi ketika Anda mengirimkan cahaya, biasanya akan menghasilkan beberapa pantulan balik: yang kembali ke laser dan membuatnya sangat tidak stabil."

Untuk menghindari pantulan tersebut, peneliti biasanya menyisipkan isolator. Ini memungkinkan cahaya untuk lewat hanya dalam satu arah, mematahkan timbal balik dua arah alami dari perambatan cahaya. Kesulitannya adalah isolator standar industri melakukannya dengan menggunakan medan magnet, yang menimbulkan masalah bagi fasilitas pembuatan chip. “CMOS fab memiliki persyaratan yang sangat ketat tentang apa yang dapat mereka miliki di ruangan yang bersih,” jelas Xiang, yang sekarang berada di University of Hong Kong. “Bahan magnetik biasanya tidak diizinkan.”

Terintegrasi, tetapi terpisah

Karena suhu tinggi yang diperlukan untuk pandu gelombang anil dapat merusak komponen lain, Xiang, Bowers, dan rekannya memulai dengan membuat pandu gelombang silikon nitrida ultralow-loss pada substrat silikon. Mereka kemudian menutupi pandu gelombang dengan beberapa lapisan bahan berbasis silikon dan memasang laser indium fosfat dengan kebisingan rendah di bagian atas tumpukan. Seandainya mereka memasang laser dan pandu gelombang secara bersamaan, etsa yang terlibat dalam pembuatan laser akan merusak pandu gelombang, tetapi mengikat lapisan berikutnya di atas menghindari masalah ini.

Memisahkan laser dan pandu gelombang juga berarti bahwa satu-satunya cara kedua perangkat dapat berinteraksi adalah dengan menggabungkan melalui "lapisan redistribusi" silikon nitrida perantara melalui medan evanescent mereka (komponen medan elektromagnetik yang tidak menyebar tetapi malah membusuk secara eksponensial jauh dari sumber). Jarak antara mereka dengan demikian meminimalkan gangguan yang tidak diinginkan. “Laser atas dan pandu gelombang ultralow-loss bawah sangat jauh,” kata Xiang, “sehingga keduanya dapat memiliki kinerja terbaik sendiri. Kontrol lapisan redistribusi silikon nitrida memungkinkan mereka untuk dipasangkan tepat di tempat yang Anda inginkan. Tanpa itu, mereka tidak akan berpasangan.”

Menggabungkan perangkat aktif dan pasif terbaik

Para peneliti menunjukkan bahwa pengaturan laser ini kuat terhadap kebisingan pada tingkat yang diharapkan dalam percobaan standar. Mereka juga mendemonstrasikan kegunaan perangkat mereka dengan memproduksi generator frekuensi gelombang mikro yang dapat disetel dengan menyesuaikan frekuensi detak antara dua laser semacam itu – sesuatu yang sebelumnya tidak praktis pada sirkuit terpadu.

Mengingat banyaknya aplikasi untuk laser ultralow-noise dalam teknologi modern, tim mengatakan bahwa kemampuan untuk menggunakan laser semacam itu dalam fotonik silikon terintegrasi adalah lompatan besar ke depan. “Akhirnya, pada chip yang sama, kita dapat memiliki perangkat aktif terbaik dan perangkat pasif terbaik secara bersamaan,” kata Xiang. “Untuk langkah selanjutnya, kami akan menggunakan laser dengan suara sangat rendah untuk mengaktifkan fungsi optik yang sangat kompleks seperti, misalnya, metrologi dan penginderaan presisi.”

Metasurfaces gelombang bocor menghubungkan pandu gelombang ke optik ruang bebas

Scott Diddam, seorang fisikawan optik di University of Colorado, Boulder, AS, yang tidak terlibat dalam penelitian, terkesan: “Masalah laser terintegrasi dengan isolator optik ini telah menjadi kutukan komunitas setidaknya selama satu dekade dan tidak ada yang memilikinya. mengetahui cara mengatasi masalah pembuatan chip laser dengan kebisingan yang sangat rendah…jadi ini adalah terobosan nyata,” katanya. “Orang-orang seperti John Bowers telah bekerja di bidang ini selama 20 tahun, jadi mereka tahu blok bangunan dasar, tetapi mencari tahu bagaimana membuat semuanya bekerja sama dengan sempurna tidak hanya seperti menyatukan bagian-bagian.”

Diddams menambahkan bahwa perangkat terintegrasi yang baru kemungkinan akan "sangat berdampak" dalam komputasi kuantum. “Perusahaan yang serius mencoba membangun platform yang melibatkan atom dan ion – atom dan ion tersebut beroperasi pada warna yang sangat spesifik, dan kami berbicara dengan mereka dengan sinar laser,” jelasnya. "Tidak mungkin seseorang akan membangun komputer kuantum yang berfungsi dalam skala besar tanpa fotonik terintegrasi seperti ini."

Penelitian ini dipublikasikan di Alam.