Alles-in-één chip combineert voor het eerst laser- en fotonische golfgeleiders

Heruitgegeven door Plato

volgers: 0

Foto van de fotonische geïntegreerde schakeling — Alles in één: een foto van het fotonische geïntegreerde circuit. De chip is in lagen gemaakt, met de laser bovenaan en de golfgeleiders onderaan. (Met dank aan Chao Xiang)

Onderzoekers in de VS hebben voor het eerst lasers met ultralage ruis en fotonische golfgeleiders op één enkele chip geïntegreerd. Deze lang gezochte prestatie zou het mogelijk kunnen maken om zeer nauwkeurige experimenten uit te voeren met atoomklokken en andere kwantumtechnologieën binnen een enkel geïntegreerd apparaat, waardoor de behoefte aan optische tafels ter grootte van een kamer in bepaalde toepassingen overbodig wordt.

Toen elektronica nog in de kinderschoenen stond, werkten onderzoekers met diodes, transistors, enzovoort als op zichzelf staande apparaten. Het ware potentieel van de technologie werd pas gerealiseerd na 1959, toen de uitvinding van de geïntegreerde schakeling het mogelijk maakte om al deze componenten op een chip te verpakken. Fotonica-onderzoekers zouden een vergelijkbaar staaltje integratie willen uitvoeren, maar ze staan voor een hindernis: “Voor een fotonische link hebben we een lichtbron nodig, normaal gesproken een laser, als zender om het signaal naar de stroomafwaartse optische links te sturen, zoals de vezels of golfgeleiders”, legt uit Chao Xiang, die het onderzoek leidde als postdoc in John Bowers' groep aan de Universiteit van Californië, Santa Barbara. "Maar wanneer je het licht uitzendt, zal het normaal gesproken wat terugreflectie genereren: dat gaat terug in de laser en maakt het erg onstabiel."

Om dergelijke reflecties te voorkomen, voegen onderzoekers meestal isolatoren in. Deze laten licht slechts in één richting door, waardoor de natuurlijke tweerichtingswederkerigheid van lichtvoortplanting wordt doorbroken. De moeilijkheid is dat industriestandaard isolatoren dit bereiken met behulp van een magnetisch veld, wat problemen oplevert voor faciliteiten voor het maken van chips. "CMOS-fabrieken stellen zeer strikte eisen aan wat ze in de cleanroom mogen hebben", legt Xiang uit, die nu verbonden is aan de Universiteit van Hong Kong. “Magnetische materialen zijn normaal gesproken niet toegestaan.”

Geïntegreerd, maar apart

Omdat de hoge temperaturen die nodig zijn voor het uitgloeien van golfgeleiders andere componenten kunnen beschadigen, begonnen Xiang, Bowers en collega's met het fabriceren van siliciumnitridegolfgeleiders met ultralaag verlies op een siliciumsubstraat. Vervolgens bedekten ze de golfgeleiders met verschillende lagen op silicium gebaseerde materialen en monteerden ze een geluidsarme indiumfosfaatlaser aan de bovenkant van de stapel. Als ze de laser en de golfgeleider samen hadden gemonteerd, zou het etsen bij het fabriceren van de laser de golfgeleiders hebben beschadigd, maar door de daaropvolgende lagen bovenop te hechten, werd dit probleem omzeild.

Het scheiden van de laser en de golfgeleiders betekende ook dat de enige manier waarop de twee apparaten konden interageren, was door koppeling via een tussenliggende siliciumnitride "herverdelingslaag" via hun verdwijnende velden (de componenten van een elektromagnetisch veld die zich niet voortplanten maar in plaats daarvan exponentieel wegsterven van een bron). De afstand tussen hen minimaliseerde dus ongewenste interferentie. "De bovenste laser en de onderste golfgeleider met ultralaag verlies zijn erg ver weg", zegt Xiang, "zodat ze allebei de best mogelijke prestaties kunnen leveren. Door de controle van de herverdelingslaag van siliciumnitride kunnen ze precies worden gekoppeld waar u ze wilt hebben. Zonder dat zouden ze niet koppelen.

De beste actieve en passieve apparaten combineren

De onderzoekers toonden aan dat deze laseropstelling robuust was tegen ruis op de niveaus die worden verwacht in standaardexperimenten. Ze demonstreerden ook het nut van hun apparaat door een afstembare microgolffrequentiegenerator te produceren door de slagfrequentie tussen twee van dergelijke lasers aan te passen - iets wat voorheen niet praktisch was op een geïntegreerd circuit.

Gezien het enorme scala aan toepassingen voor lasers met ultralage ruis in moderne technologie, zegt het team dat het een grote stap voorwaarts is om dergelijke lasers te kunnen gebruiken in geïntegreerde siliciumfotonica. "Eindelijk kunnen we op dezelfde chip de beste actieve apparaten en de beste passieve apparaten bij elkaar hebben", zegt Xiang. "Voor de volgende stap gaan we die lasers met zeer lage ruis gebruiken om zeer complexe optische functionaliteiten mogelijk te maken, zoals in bijvoorbeeld precisiemetrologie en detectie."

Metasurfaces met lekkende golven verbinden golfgeleiders met optica in de vrije ruimte

Scott Diddams, een optisch fysicus aan de Universiteit van Colorado, Boulder, VS, die niet betrokken was bij het onderzoek, is onder de indruk: "Dit probleem van geïntegreerde lasers met optische isolatoren is al minstens tien jaar de vloek van de gemeenschap en niemand had weten hoe we het probleem van het maken van een echt geluidsarme laser op chip kunnen oplossen... dus dit is een echte doorbraak', zegt hij. "Mensen zoals John Bowers werkten al 20 jaar op dit gebied en dus kenden ze de basisbouwstenen, maar uitzoeken hoe ze allemaal perfect samen kunnen werken, is niet alleen maar stukjes aan elkaar schroeven."

Diddams voegt eraan toe dat het nieuwe geïntegreerde apparaat waarschijnlijk "zeer impactvol" zal zijn in quantum computing. "Serieuze bedrijven proberen platforms te bouwen met atomen en ionen - die atomen en ionen werken met zeer specifieke kleuren en we praten met hen met laserlicht", legt hij uit. "Het is gewoon onmogelijk dat iemand ooit een functionerende kwantumcomputer op schaal gaat bouwen zonder geïntegreerde fotonica zoals deze."

Het onderzoek is gepubliceerd in NATUUR.