All-in-one Chip Combines Laser And Photonic Waveguide For The First Time

Republicat de Platon

Urmaritori: 0

Fotografie a circuitului integrat fotonic — All in one: o fotografie a circuitului integrat fotonic. Cipul a fost fabricat în straturi, cu laserul deasupra și ghidajele de undă în partea de jos. (Cu amabilitatea: Chao Xiang)

Cercetătorii din SUA au integrat pentru prima dată lasere cu zgomot ultrascăzut și ghiduri de undă fotonice pe un singur cip. Această realizare mult căutată ar putea face posibilă efectuarea de experimente de înaltă precizie cu ceasuri atomice și alte tehnologii cuantice într-un singur dispozitiv integrat, eliminând nevoia de mese optice de dimensiunea unei camere în anumite aplicații.

Când electronica era la început, cercetătorii lucrau cu diode, tranzistori și așa mai departe ca dispozitive de sine stătătoare. Adevăratul potențial al tehnologiei a fost realizat abia după 1959, când inventarea circuitului integrat a făcut posibilă împachetarea tuturor acestor componente pe un cip. Cercetătorii în fotonică ar dori să realizeze o performanță similară de integrare, dar se confruntă cu un obstacol: „Pentru o legătură fotonică trebuie să folosim o sursă de lumină, care este în mod normal un laser, ca transmițător pentru a trimite semnalul către legăturile optice din aval, cum ar fi fibrele sau ghidurile de undă”, explică Chao Xiang, care a condus cercetarea în calitate de postdoc în lui John Bowers grup la Universitatea din California, Santa Barbara. „Dar atunci când trimiteți lumina, va genera în mod normal o anumită reflexie înapoi: aceasta se întoarce în laser și îl face foarte instabil.”

Pentru a evita astfel de reflecții, cercetătorii introduc de obicei izolatori. Acestea permit luminii să treacă într-o singură direcție, rupând reciprocitatea naturală în două sensuri a propagării luminii. Dificultatea este că izolatoarele standard din industrie realizează acest lucru folosind un câmp magnetic, ceea ce pune probleme pentru instalațiile de fabricare a cipurilor. „Fabricatele CMOS au cerințe foarte stricte cu privire la ceea ce pot avea în camera curată”, explică Xiang, care este acum la Universitatea din Hong Kong. „Materialele magnetice nu sunt în mod normal permise.”

Integrat, dar separat

Deoarece temperaturile ridicate necesare pentru recoacere ghiduri de undă pot deteriora alte componente, Xiang, Bowers și colegii săi au început prin a fabrica ghiduri de undă cu nitrură de siliciu cu pierderi ultra-scăzute pe un substrat de siliciu. Apoi au acoperit ghidurile de undă cu mai multe straturi de materiale pe bază de siliciu și au montat un laser cu fosfat de indiu cu zgomot redus în partea de sus a stivei. Dacă ar fi montat laserul și ghidul de undă împreună, gravarea implicată în fabricarea laserului ar fi deteriorat ghidurile de undă, dar legarea straturilor ulterioare deasupra a evitat această problemă.

Separarea laserului și a ghidurilor de undă a însemnat, de asemenea, că singurul mod în care cele două dispozitive ar putea interacționa era prin cuplarea printr-un „strat de redistribuire” intermediar cu nitrură de siliciu prin câmpurile lor evanescente (componentele unui câmp electromagnetic care nu se propagă, ci se degradează exponențial departe de o sursă). Distanța dintre ele a minimizat astfel interferențele nedorite. „Laserul de sus și ghidul de undă inferior cu pierderi ultra-scăzute sunt foarte departe”, spune Xiang, „deci ambele pot avea cea mai bună performanță posibilă singure. Controlul stratului de redistribuire a nitrurii de siliciu le permite să fie cuplate exact acolo unde doriți să fie. Fără el, nu s-ar cupla.”

Combinând cele mai bune dispozitive active și pasive

Cercetătorii au arătat că această configurație laser a fost robustă la zgomot la nivelurile așteptate în experimentele standard. Ei au demonstrat, de asemenea, utilitatea dispozitivului lor prin producerea unui generator de frecvență reglabil cu microunde prin ajustarea frecvenței de bătaie între două astfel de lasere - ceva care nu era practic anterior pe un circuit integrat.

Având în vedere gama enormă de aplicații pentru laserele cu zgomot ultrascăzut în tehnologia modernă, echipa susține că posibilitatea de a folosi astfel de lasere în fotonica integrată cu siliciu este un mare pas înainte. „În sfârșit, pe același cip, putem avea cele mai bune dispozitive active și cele mai bune dispozitive pasive împreună”, spune Xiang. „Pentru următorul pas, vom folosi acele lasere cu zgomot foarte scăzut pentru a permite funcționalități optice foarte complexe, cum ar fi, de exemplu, metrologia de precizie și detectarea.”

Metasuprafețele cu unde leaky conectează ghidurile de undă la optica spațiului liber

Scott Diddams, un fizician optic de la Universitatea din Colorado, Boulder, SUA, care nu a fost implicat în cercetare, este impresionat: „Această problemă a laserelor integrate cu izolatori optici a fost nenorocirea comunității de cel puțin un deceniu și nimeni nu a avut știe cum să rezolve problema de a face un laser cu zgomot foarte scăzut pe cip... deci aceasta este o adevărată descoperire”, spune el. „Oameni precum John Bowers au lucrat în acest domeniu timp de 20 de ani și, așadar, cunoșteau elementele de bază, dar să-ți dai seama cum să le faci pe toate să funcționeze perfect împreună nu este doar ca să înșurubești piesele împreună.”

Diddams adaugă că noul dispozitiv integrat este probabil să aibă „foarte impact” în calculul cuantic. „Companiile serioase încearcă să construiască platforme care implică atomi și ioni – acești atomi și ioni funcționează la culori foarte specifice și vorbim cu ei cu lumină laser”, explică el. „Nu există nicio posibilitate ca cineva să construiască vreodată un computer cuantic funcțional la scară fără o fotonică integrată ca aceasta.”

Cercetarea este publicată în Natură.