Il chip all-in-one combina per la prima volta laser e guida d'onda fotonica

Ripubblicato da Platone

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Foto del circuito integrato fotonico — Tutto in uno: una foto del circuito integrato fotonico. Il chip è stato fabbricato a strati, con il laser sopra e le guide d'onda sotto. (Per gentile concessione: Chao Xiang)

I ricercatori negli Stati Uniti hanno integrato per la prima volta laser a bassissimo rumore e guide d'onda fotoniche su un singolo chip. Questo risultato a lungo ricercato potrebbe rendere possibile l'esecuzione di esperimenti ad alta precisione con orologi atomici e altre tecnologie quantistiche all'interno di un singolo dispositivo integrato, eliminando la necessità di tavoli ottici delle dimensioni di una stanza in determinate applicazioni.

Quando l'elettronica era agli inizi, i ricercatori lavoravano con diodi, transistor e così via come dispositivi autonomi. Il vero potenziale della tecnologia si è realizzato solo dopo il 1959, quando l'invenzione del circuito integrato ha permesso di impacchettare tutti questi componenti su un chip. I ricercatori di fotonica vorrebbero compiere un'impresa simile di integrazione, ma devono affrontare un ostacolo: “Per un collegamento fotonico dobbiamo usare una sorgente di luce, che normalmente è un laser, come trasmettitore per inviare il segnale ai collegamenti ottici a valle come le fibre o le guide d'onda”, spiega Chao Xiang, che ha guidato la ricerca come postdoc in John Bowers' gruppo presso l'Università della California, Santa Barbara. "Ma quando invii la luce, normalmente genererà un riflesso posteriore: che torna nel laser e lo rende molto instabile."

Per evitare tali riflessioni, i ricercatori di solito inseriscono degli isolatori. Questi consentono alla luce di passare in una sola direzione, rompendo la naturale reciprocità bidirezionale della propagazione della luce. La difficoltà è che gli isolatori standard del settore ottengono questo risultato utilizzando un campo magnetico, il che pone problemi agli impianti di produzione di chip. "Le fabbriche CMOS hanno requisiti molto severi su ciò che possono avere nella camera bianca", spiega Xiang, che ora è all'Università di Hong Kong. "I materiali magnetici normalmente non sono consentiti."

Integrato, ma separato

Poiché le alte temperature richieste per la ricottura delle guide d'onda possono danneggiare altri componenti, Xiang, Bowers e colleghi hanno iniziato fabbricando guide d'onda in nitruro di silicio a bassissima perdita su un substrato di silicio. Hanno quindi coperto le guide d'onda con diversi strati di materiali a base di silicio e montato un laser al fosfato di indio a basso rumore nella parte superiore della pila. Se avessero montato insieme il laser e la guida d'onda, l'incisione coinvolta nella fabbricazione del laser avrebbe danneggiato le guide d'onda, ma l'incollaggio degli strati successivi sulla parte superiore ha evitato questo problema.

Separare il laser e le guide d'onda significava anche che l'unico modo in cui i due dispositivi potevano interagire era accoppiandosi attraverso uno "strato di ridistribuzione" intermedio di nitruro di silicio tramite i loro campi evanescenti (i componenti di un campo elettromagnetico che non si propagano ma invece decadono esponenzialmente lontano da una fonte). La distanza tra loro ha quindi ridotto al minimo le interferenze indesiderate. “Il laser superiore e la guida d'onda a bassissima perdita inferiore sono molto lontani”, afferma Xiang, “quindi possono entrambi avere le migliori prestazioni possibili da soli. Il controllo dello strato di ridistribuzione del nitruro di silicio consente di accoppiarli esattamente dove si desidera che siano. Senza di esso, non si accoppierebbero.

Combinando i migliori dispositivi attivi e passivi

I ricercatori hanno dimostrato che questa configurazione laser era resistente al rumore ai livelli previsti negli esperimenti standard. Hanno anche dimostrato l'utilità del loro dispositivo producendo un generatore di frequenza a microonde sintonizzabile regolando la frequenza di battimento tra due di questi laser, qualcosa che prima non era pratico su un circuito integrato.

Data l'enorme gamma di applicazioni dei laser a bassissimo rumore nella tecnologia moderna, il team afferma che essere in grado di utilizzare tali laser nella fotonica integrata del silicio è un grande balzo in avanti. "Finalmente, sullo stesso chip, possiamo avere insieme i migliori dispositivi attivi e i migliori dispositivi passivi", afferma Xiang. "Per il passaggio successivo, utilizzeremo quei laser a bassissimo rumore per abilitare funzionalità ottiche molto complesse come, ad esempio, la metrologia e il rilevamento di precisione".

Elenco delle immagini delle onde che perdono

Le metasuperfici di onde che perdono collegano le guide d'onda all'ottica dello spazio libero

Scott Diddams, un fisico ottico dell'Università del Colorado, Boulder, USA, che non era coinvolto nella ricerca, è impressionato: “Questo problema dei laser integrati con isolatori ottici è stato la rovina della comunità per almeno un decennio e nessuno aveva sapeva come risolvere il problema di realizzare un laser su chip veramente a basso rumore... quindi questo è un vero passo avanti", dice. "Persone come John Bowers lavoravano in questo campo da 20 anni, quindi conoscevano gli elementi costitutivi di base, ma capire come farli funzionare perfettamente insieme non è solo come mettere insieme i pezzi".

Diddams aggiunge che il nuovo dispositivo integrato sarà probabilmente "di grande impatto" nel calcolo quantistico. "Le aziende serie stanno cercando di costruire piattaforme che coinvolgano atomi e ioni: quegli atomi e ioni operano con colori molto specifici e noi parliamo con loro con la luce laser", spiega. "Non c'è proprio modo di costruire un computer quantistico funzionante su larga scala senza una fotonica integrata come questa".

La ricerca è pubblicata in Natura.