Allt-i-ett-chip kombinerar laser och fotonisk vågledare för första gången – Physics World

Forskare i USA har för första gången integrerat ultralågbruslasrar och fotoniska vågledare på ett enda chip. Denna länge eftertraktade prestation skulle kunna göra det möjligt att utföra högprecisionsexperiment med atomklockor och andra kvantteknologier inom en enda integrerad enhet, vilket tar bort behovet av rumstora optiska bord i vissa applikationer.

När elektroniken var i sin linda arbetade forskare med dioder, transistorer och så vidare som fristående enheter. Teknikens verkliga potential realiserades först efter 1959, då uppfinningen av den integrerade kretsen gjorde det möjligt att packa alla dessa komponenter på ett chip. Fotonikforskare skulle vilja utföra en liknande bedrift av integration, men de står inför ett hinder: "För en fotonisk länk måste vi använda en ljuskälla, som normalt är en laser, som sändare för att skicka signalen till de nedströms optiska länkarna som t.ex. fibrerna eller vågledarna”, förklarar Chao Xiang, som ledde forskningen som postdoc i John Bowers' grupp vid University of California, Santa Barbara. "Men när du skickar ut ljuset kommer det normalt att generera en viss bakåtreflektion: det går tillbaka in i lasern och gör den väldigt instabil."

För att undvika sådana reflektioner sätter forskare vanligtvis in isolatorer. Dessa tillåter ljus att passera i endast en riktning, vilket bryter den naturliga tvåvägs ömsesidigheten för ljusutbredning. Svårigheten är att industristandardisolatorer åstadkommer detta med hjälp av ett magnetfält, vilket ställer till problem för chiptillverkningsanläggningar. "CMOS-fabriker har mycket strikta krav på vad de kan ha i renrummet", förklarar Xiang, som nu är vid University of Hong Kong. "Magnetiska material är normalt inte tillåtna."

Integrerad, men separat

Eftersom de höga temperaturerna som krävs för glödgning av vågledare kan skada andra komponenter, började Xiang, Bowers och kollegor med att tillverka vågledare av kiselnitrid med ultralåg förlust på ett kiselsubstrat. De täckte sedan vågledarna med flera lager av kiselbaserade material och monterade en lågbrus indiumfosfatlaser på toppen av stapeln. Hade de monterat lasern och vågledaren tillsammans, skulle etsningen som var involverad i tillverkningen av lasern ha skadat vågledarna, men att binda de efterföljande lagren ovanpå undanröjde detta problem.

Att separera lasern och vågledarna innebar också att det enda sättet de två enheterna kunde interagera var genom att koppla genom ett mellanliggande "omfördelningsskikt" av kiselnitrid via deras evanescenta fält (komponenterna i ett elektromagnetiskt fält som inte fortplantar sig utan istället sönderfaller exponentiellt bort från en källa). Avståndet mellan dem minimerade således oönskade störningar. "Den översta lasern och den undre vågledaren med ultralåg förlust är väldigt långt borta", säger Xiang, "så att de båda kan ha bästa möjliga prestanda på egen hand. Styrningen av omfördelningsskiktet av kiselnitrid gör att de kan kopplas exakt där du vill att de ska vara. Utan den skulle de inte kopplas ihop.”

Kombinera de bästa aktiva och passiva enheterna

Forskarna visade att denna laseruppsättning var robust mot brus på de nivåer som förväntades i standardexperiment. De visade också användbarheten av sin enhet genom att producera en avstämbar mikrovågsfrekvensgenerator genom att justera slagfrekvensen mellan två sådana lasrar – något som tidigare inte var praktiskt på en integrerad krets.

Med tanke på det enorma utbudet av applikationer för lasrar med ultralågt brus i modern teknik, säger teamet att det är ett stort steg framåt att kunna använda sådana lasrar i integrerad kiselfotonik. "Äntligen, på samma chip, kan vi ha de bästa aktiva enheterna och de bästa passiva enheterna tillsammans", säger Xiang. "För nästa steg kommer vi att använda dessa lasrar med mycket lågt brus för att möjliggöra mycket komplexa optiska funktioner som till exempel precisionsmätning och avkänning."

Metasytor med läckande vågor kopplar vågledare till optik för fritt utrymme

Scott Diddams, en optisk fysiker vid University of Colorado, Boulder, USA, som inte var inblandad i forskningen, är imponerad: "Det här problemet med integrerade lasrar med optiska isolatorer har varit samhällets förbannelse i minst ett decennium och ingen hade vet hur man löser problemet med att göra en riktigt lågbruslaser på chip...så det här är ett verkligt genombrott, säger han. "Människor som John Bowers hade arbetat inom det här fältet i 20 år, så de kände till de grundläggande byggstenarna, men att ta reda på hur man får dem alla att fungera perfekt tillsammans är inte bara som att skruva ihop bitar."

Diddams tillägger att den nya integrerade enheten sannolikt kommer att vara "mycket effektfull" inom kvantberäkning. "Seriösa företag försöker bygga plattformar som involverar atomer och joner - dessa atomer och joner verkar i mycket specifika färger, och vi pratar med dem med laserljus", förklarar han. "Det finns helt enkelt inget sätt att man någonsin kommer att bygga en fungerande kvantdator i skala utan integrerad fotonik som denna."

Forskningen är publicerad i Natur.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Fordon / elbilar, Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• BlockOffsets. Modernisera miljökompensation ägande. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/all-in-one-chip-combines-laser-and-photonic-waveguide-for-the-first-time/