Układ typu „wszystko w jednym” po raz pierwszy łączy falowód laserowy i fotoniczny

Opublikowane ponownie przez Plato

Obserwuje: 0

Zdjęcie fotonicznego układu scalonego — Wszystko w jednym: zdjęcie fotonicznego układu scalonego. Chip został wykonany warstwami, z laserem na górze i falowodami na dole. (Dzięki uprzejmości: Chao Xiang)

Naukowcy z USA po raz pierwszy zintegrowali lasery o ultraniskim poziomie szumów i falowody fotoniczne w jednym chipie. To długo poszukiwane osiągnięcie może umożliwić przeprowadzanie precyzyjnych eksperymentów z zegarami atomowymi i innymi technologiami kwantowymi w ramach jednego zintegrowanego urządzenia, eliminując potrzebę stosowania stołów optycznych wielkości pokoju w niektórych zastosowaniach.

Kiedy elektronika była w powijakach, badacze pracowali z diodami, tranzystorami itd. jako samodzielnymi urządzeniami. Prawdziwy potencjał technologii został zrealizowany dopiero po 1959 roku, kiedy to wynalezienie układu scalonego umożliwiło umieszczenie wszystkich tych elementów na chipie. Naukowcy zajmujący się fotoniką chcieliby dokonać podobnego wyczynu integracji, ale napotykają przeszkodę: „W przypadku łącza fotonicznego musimy użyć źródła światła, którym zwykle jest laser, jako nadajnika do wysyłania sygnału do dalszych łączy optycznych, takich jak światłowody lub falowody”, wyjaśnia Chao Xiang, który kierował badaniami jako postdoc w Johna Bowersa grupa na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara. „Ale kiedy wysyłasz światło, zwykle generuje ono odbicie wsteczne: wraca do lasera i czyni go bardzo niestabilnym”.

Aby uniknąć takich odbić, badacze zwykle wstawiają izolatory. Pozwalają one światłu przechodzić tylko w jednym kierunku, łamiąc naturalną dwukierunkową wzajemność propagacji światła. Trudność polega na tym, że standardowe izolatory przemysłowe osiągają to za pomocą pola magnetycznego, co stwarza problemy dla zakładów produkujących chipy. „Fabryki CMOS mają bardzo surowe wymagania dotyczące tego, co mogą mieć w czystym pomieszczeniu” — wyjaśnia Xiang, który obecnie pracuje na Uniwersytecie w Hongkongu. „Materiały magnetyczne są normalnie niedozwolone”.

Zintegrowane, ale oddzielne

Ponieważ wysokie temperatury wymagane do wyżarzania falowodów mogą uszkodzić inne komponenty, Xiang, Bowers i współpracownicy rozpoczęli od wytworzenia falowodów z azotku krzemu o ultraniskich stratach na podłożu krzemowym. Następnie pokryli falowody kilkoma warstwami materiałów na bazie krzemu i zamontowali niskoszumowy laser fosforanu indu na szczycie stosu. Gdyby zamontowali razem laser i falowód, wytrawianie związane z wytwarzaniem lasera uszkodziłoby falowody, ale łączenie kolejnych warstw na wierzchu pozwoliło uniknąć tego problemu.

Oddzielenie lasera i falowodów oznaczało również, że jedynym sposobem, w jaki te dwa urządzenia mogłyby oddziaływać, było sprzężenie przez pośrednią „warstwę redystrybucyjną” azotku krzemu za pośrednictwem ich zanikających pól (składowe pola elektromagnetycznego, które nie rozchodzą się, ale zamiast tego zanikają wykładniczo z dala od źródło). Odległość między nimi minimalizowała w ten sposób niepożądane zakłócenia. „Górny laser i dolny falowód o ultraniskich stratach są bardzo daleko”, mówi Xiang, „więc oba mogą mieć najlepszą możliwą wydajność samodzielnie. Kontrola warstwy redystrybucyjnej azotku krzemu pozwala na ich łączenie dokładnie tam, gdzie chcesz. Bez tego nie byliby parą”.

Połączenie najlepszych urządzeń aktywnych i pasywnych

Naukowcy wykazali, że ta konfiguracja lasera była odporna na hałas na poziomie oczekiwanym w standardowych eksperymentach. Zademonstrowali również przydatność swojego urządzenia, tworząc przestrajalny generator częstotliwości mikrofalowych, dostosowując częstotliwość dudnienia między dwoma takimi laserami - coś, co wcześniej nie było praktyczne w układzie scalonym.

Biorąc pod uwagę ogromny zakres zastosowań laserów o ultraniskim poziomie szumów w nowoczesnej technologii, zespół twierdzi, że możliwość wykorzystania takich laserów w zintegrowanej fotonice krzemowej to duży krok naprzód. „Wreszcie, na tym samym chipie, możemy mieć razem najlepsze urządzenia aktywne i najlepsze urządzenia pasywne” — mówi Xiang. „W następnym kroku użyjemy tych laserów o bardzo niskim poziomie szumów, aby umożliwić bardzo złożone funkcje optyczne, na przykład w metrologii precyzyjnej i wykrywaniu”.

Metapowierzchnie nieszczelnych fal łączą falowody z optyką w wolnej przestrzeni

Scotta Diddamsa, fizyk optyk z University of Colorado, Boulder, USA, który nie był zaangażowany w badania, jest pod wrażeniem: „Problem zintegrowanych laserów z izolatorami optycznymi był zmorą społeczności przez co najmniej dekadę i nikt nie miał wiedział, jak rozwiązać problem stworzenia naprawdę niskoszumowego lasera na chipie… więc jest to prawdziwy przełom” – mówi. „Ludzie tacy jak John Bowers pracowali w tej dziedzinie od 20 lat, więc znali podstawowe elementy składowe, ale wymyślenie, jak sprawić, by wszystkie idealnie ze sobą współpracowały, nie jest tylko łączeniem elementów”.

Diddams dodaje, że nowe zintegrowane urządzenie prawdopodobnie będzie miało „bardzo duży wpływ” na komputery kwantowe. „Poważne firmy próbują budować platformy wykorzystujące atomy i jony – te atomy i jony działają w bardzo określonych kolorach, a my rozmawiamy z nimi za pomocą światła laserowego” – wyjaśnia. „Po prostu nie ma możliwości zbudowania działającego komputera kwantowego na dużą skalę bez takiej zintegrowanej fotoniki”.

Badania są publikowane w 2007 roku Natura.