Alt-i-ett-brikke kombinerer laser og fotonisk bølgeleder for første gang

Publisert av Platon

Følgere: 0

Foto av den fotoniske integrerte kretsen — Alt i ett: Et bilde av den fotoniske integrerte kretsen. Brikken ble laget i lag, med laseren på toppen og bølgelederne nederst. (Med tillatelse: Chao Xiang)

Forskere i USA har integrert lasere med ultralav støy og fotoniske bølgeledere på en enkelt brikke for første gang. Denne etterlengtede prestasjonen kan gjøre det mulig å utføre eksperimenter med høy presisjon med atomklokker og andre kvanteteknologier innenfor en enkelt integrert enhet, og fjerne behovet for optiske bord i romstørrelse i visse applikasjoner.

Da elektronikken var i sin spede begynnelse, jobbet forskerne med dioder, transistorer og så videre som frittstående enheter. Teknologiens sanne potensial ble først realisert etter 1959, da oppfinnelsen av den integrerte kretsen gjorde det mulig å pakke alle disse komponentene på en brikke. Fotonikkforskere vil gjerne utføre en lignende bragd med integrering, men de står overfor et hinder: "For en fotonisk kobling må vi bruke en lyskilde, som vanligvis er en laser, som sender for å sende signalet til de nedstrøms optiske koblingene som fibrene eller bølgelederne,” forklarer Chao Xiang, som ledet forskningen som postdoktor i John Bowers' gruppe ved University of California, Santa Barbara. "Men når du sender ut lyset, vil det normalt generere litt tilbakerefleksjon: som går tilbake inn i laseren og gjør den veldig ustabil."

For å unngå slike refleksjoner setter forskere vanligvis inn isolatorer. Disse lar lys passere i bare én retning, og bryter den naturlige toveis gjensidigheten til lysutbredelse. Vanskeligheten er at industristandardisolatorer oppnår dette ved å bruke et magnetisk felt, noe som utgjør problemer for brikkefremstillingsanlegg. "CMOS-fabrikker har veldig strenge krav til hva de kan ha i renrommet," forklarer Xiang, som nå er ved University of Hong Kong. "Magnetiske materialer er normalt ikke tillatt."

Integrert, men separat

Siden de høye temperaturene som kreves for utglødning av bølgeledere kan skade andre komponenter, begynte Xiang, Bowers og kolleger med å lage silisiumnitridbølgeledere med ultralavt tap på et silisiumsubstrat. De dekket deretter bølgelederne med flere lag med silisiumbaserte materialer og monterte en lavstøys indiumfosfatlaser på toppen av stabelen. Hadde de montert laseren og bølgelederen sammen, ville etsingen som var involvert i fremstillingen av laseren ha skadet bølgelederne, men ved å binde de påfølgende lagene på toppen omgikk dette problemet.

Å separere laseren og bølgelederne betydde også at den eneste måten de to enhetene kunne samhandle var ved å koble gjennom et mellomliggende silisiumnitrid-"omfordelingslag" via deres flyktige felt (komponentene i et elektromagnetisk felt som ikke forplanter seg, men i stedet forfaller eksponentielt bort fra en kilde). Avstanden mellom dem minimerte dermed uønsket forstyrrelse. "Den øverste laseren og den nederste bølgelederen med ultralavt tap er veldig langt unna," sier Xiang, "så de kan begge ha best mulig ytelse på egen hånd. Kontrollen av omfordelingslaget av silisiumnitrid gjør at de kan kobles nøyaktig der du vil at de skal være. Uten den ville de ikke koblet seg sammen.»

Kombinerer de beste aktive og passive enhetene

Forskerne viste at dette laseroppsettet var robust mot støy på nivåene som forventes i standardeksperimenter. De demonstrerte også nytten av enheten deres ved å produsere en avstembar mikrobølgefrekvensgenerator ved å justere slagfrekvensen mellom to slike lasere – noe som ikke tidligere var praktisk på en integrert krets.

Gitt det enorme utvalget av applikasjoner for lasere med ultralav støy i moderne teknologi, sier teamet at det å kunne bruke slike lasere i integrert silisiumfotonikk er et stort sprang fremover. "Endelig, på samme brikke, kan vi ha de beste aktive enhetene og de beste passive enhetene sammen," sier Xiang. "For det neste trinnet kommer vi til å bruke disse laserne med svært lav støy for å muliggjøre svært komplekse optiske funksjoner som for eksempel i presisjonsmetrologi og sensing."

Leaky-wave metasurfaces kobler bølgeledere til ledig plass optikk

Scott Diddams, en optisk fysiker ved University of Colorado, Boulder, USA, som ikke var involvert i forskningen, er imponert: "Dette problemet med integrerte lasere med optiske isolatorer har vært samfunnets bane i minst et tiår, og ingen hadde kjent hvordan man løser problemet med å lage en virkelig lavstøylaser på chip ... så dette er et virkelig gjennombrudd, sier han. "Folk som John Bowers hadde jobbet i dette feltet i 20 år, og så kjente de de grunnleggende byggeklossene, men å finne ut hvordan man kan få dem alle til å fungere perfekt sammen er ikke bare som å skru sammen deler."

Diddams legger til at den nye integrerte enheten sannsynligvis vil være "veldig virkningsfull" innen kvantedatabehandling. "Seriøse selskaper prøver å bygge plattformer som involverer atomer og ioner - disse atomene og ionene opererer i veldig spesifikke farger, og vi snakker med dem med laserlys," forklarer han. "Det er bare ingen måte at man noen gang kommer til å bygge en fungerende kvantedatamaskin i skala uten integrert fotonikk som dette."

Forskningen er publisert i Natur.