レーザーとフォトニック導波路を初めて組み合わせたオールインワンチップ

プラトン再発行

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光集積回路の写真 — オールインワン: フォトニック集積回路の写真。チップは層状に製造され、上部にレーザー、下部に導波路が配置されました。（提供：チャオ・シャン）

米国の研究者は、超低ノイズレーザーとフォトニック導波路を初めて単一チップ上に統合しました。この長年求められてきた成果により、単一の統合デバイス内で原子時計やその他の量子技術を使用した高精度実験を実行できるようになり、特定の用途で部屋サイズの光学テーブルが不要になる可能性があります。

エレクトロニクスが黎明期にあったとき、研究者はダイオードやトランジスタなどをスタンドアロンデバイスとして扱いました。この技術の真の可能性は、集積回路の発明によりこれらすべてのコンポーネントをチップ上に実装することが可能になった 1959 年以降に初めて実現されました。フォトニクス研究者らは、同様の統合という偉業を実現したいと考えていますが、次のようなハードルに直面しています。「フォトニクスリンクの場合、信号を下流の光リンクに送信する送信機として、通常はレーザーである光源を使用する必要があります。ファイバーまたは導波路です」と説明します。チャオ・シャン、博士研究員として研究を主導しました。ジョン・バウワーズグループヘッドカリフォルニア大学サンタバーバラ校にて。「しかし、光を送信すると、通常、何らかの後方反射が発生します。それがレーザー内に戻ってきて、レーザーが非常に不安定になります。」

このような反射を避けるために、研究者は通常、アイソレータを挿入します。これらは光を一方向にのみ通過させ、光伝播の自然な双方向の相反性を壊します。問題は、業界標準のアイソレータが磁場を使用してこれを実現するため、チップ製造設備に問題が生じることです。「CMOS製造工場には、クリーンルーム内で何ができるかについて非常に厳しい要件があります」と、現在香港大学に在籍しているXiang氏は説明する。「磁性材料は通常は許可されません。」

統合されているが分離されている

導波路のアニールに必要な高温は他のコンポーネントに損傷を与える可能性があるため、Xiang、Bowersらはシリコン基板上に超低損失の窒化シリコン導波路を作製することから始めた。次に、導波路をシリコンベースの材料のいくつかの層で覆い、スタックの最上部に低ノイズのリン酸インジウムレーザーを取り付けました。もしレーザーと導波路を一緒に取り付けていたら、レーザーの製造に伴うエッチングによって導波路が損傷しただろうが、後続の層を上部に接着することでこの問題は回避された。

レーザーと導波路を分離するということは、XNUMX つのデバイスが相互作用できる唯一の方法が、エバネッセント場 (伝播せず、指数関数的に減衰する電磁場の成分) を介して中間の窒化シリコン「再分配層」を介して結合することであることも意味しました。ソース）。したがって、それらの間の距離により、不要な干渉が最小限に抑えられます。「上部のレーザーと下部の超低損失導波路は非常に遠くにあります」と Xiang 氏は言います。「そのため、両方とも単独で可能な限り最高のパフォーマンスを発揮できます。窒化シリコンの再配線層を制御することで、希望する場所に正確に接続することができます。それがなければ、彼らはカップルにならないでしょう。」

最高のアクティブデバイスとパッシブデバイスの組み合わせ

研究者らは、このレーザー設定が標準的な実験で予想されるレベルのノイズに対して堅牢であることを示しました。彼らはまた、このような XNUMX つのレーザー間のビート周波数を調整することで調整可能なマイクロ波周波数発生器を作成することにより、デバイスの有用性を実証しました。これは、これまで集積回路では実用的ではなかったものです。

現代技術における超低ノイズレーザーの応用範囲は膨大であることを考えると、統合シリコンフォトニクスでそのようなレーザーを使用できるようになることは大きな進歩であると研究チームは述べている。「最終的に、同じチップ上に最高のアクティブデバイスと最高のパッシブデバイスを混在させることができます」と Xiang 氏は言います。「次のステップでは、これらの非常に超低ノイズのレーザーを使用して、たとえば精密計測やセンシングなどの非常に複雑な光学機能を可能にする予定です。」

漏洩波メタサーフェスが導波路を自由空間光学系に接続

スコット・ディダムスこの研究には関与していなかった、米国ボルダーにあるコロラド大学の光物理学者は、次のように感銘を受けています。本当に低ノイズのレーザーをオンチップで作るという問題を解決する方法がわかっているので、これは本当の画期的な進歩です」と彼は言います。「ジョン・バウワーズのような人は、この分野で 20 年間働いてきたので、基本的な構成要素を知っていましたが、それらすべてを完璧に連携させる方法を見つけるのは、単に部品をボルトで留めるだけではありません。」

ディダムス氏は、この新しい統合デバイスは量子コンピューティングにおいて「非常に影響力がある」可能性が高いと付け加えた。「真剣な企業は、原子やイオンを扱うプラットフォームの構築を試みています。これらの原子やイオンは非常に特定の色で動作し、私たちはレーザー光でそれらに話しかけます」と彼は説明します。「このような統合されたフォトニクスがなければ、機能する量子コンピューターを大規模に構築することは不可能です。」

この研究は自然.