ชิป All-in-one ผสมผสานเลเซอร์และท่อนำคลื่นโฟโตนิกเข้าด้วยกันเป็นครั้งแรก

เผยแพร่ซ้ำโดยเพลโต

ผู้ติดตาม: 0

ทั้งหมดในที่เดียว: ภาพถ่ายของวงจรรวมโทนิค ชิปถูกสร้างขึ้นเป็นชั้นๆ โดยมีเลเซอร์อยู่ด้านบนและท่อนำคลื่นอยู่ด้านล่าง (ขอบคุณ: เจ้าเซียง)

นักวิจัยในสหรัฐฯ ได้รวมเอาเลเซอร์สัญญาณรบกวนต่ำพิเศษและท่อนำคลื่นโทนิคเข้ากับชิปตัวเดียวเป็นครั้งแรก ความสำเร็จที่เป็นที่ต้องการมาอย่างยาวนานนี้ทำให้สามารถทำการทดลองที่มีความแม่นยำสูงด้วยนาฬิกาอะตอมและเทคโนโลยีควอนตัมอื่นๆ ภายในอุปกรณ์แบบรวมเครื่องเดียว ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้ตารางออปติกขนาดห้องในการใช้งานบางอย่าง

เมื่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น นักวิจัยได้ทำงานร่วมกับไดโอด ทรานซิสเตอร์ และอื่นๆ เป็นอุปกรณ์แบบสแตนด์อโลน ศักยภาพที่แท้จริงของเทคโนโลยีนี้เกิดขึ้นจริงหลังปี 1959 เมื่อการประดิษฐ์วงจรรวมทำให้สามารถบรรจุส่วนประกอบทั้งหมดเหล่านี้ลงบนชิปได้ นักวิจัยด้านโฟโตนิกส์ต้องการดำเนินการในลักษณะเดียวกันนี้ในการผสานรวม แต่พวกเขาต้องเผชิญกับอุปสรรค: "สำหรับการเชื่อมโยงแบบโทนิค เราจำเป็นต้องใช้แหล่งกำเนิดแสง ซึ่งปกติแล้วคือเลเซอร์ เป็นตัวส่งสัญญาณเพื่อส่งสัญญาณไปยังลิงก์ออปติคัลดาวน์สตรีม เช่น เส้นใยหรือท่อนำคลื่น” อธิบาย เจ้าเซียงซึ่งเป็นผู้นำการวิจัยในฐานะ postdoc ใน จอห์น บาวเวอร์ส กลุ่ม ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย แซนตาบาร์บารา “แต่เมื่อคุณส่งแสงออกไป โดยปกติแล้วมันจะเกิดการสะท้อนกลับ ซึ่งย้อนกลับเข้าไปในเลเซอร์และทำให้มันไม่เสถียรมาก”

เพื่อหลีกเลี่ยงการสะท้อนดังกล่าว นักวิจัยมักจะใส่เครื่องแยกไอโซเลเตอร์ สิ่งเหล่านี้ทำให้แสงผ่านได้เพียงทิศทางเดียว ทำลายการแลกเปลี่ยนแสงแบบสองทางตามธรรมชาติ ความยากอยู่ที่ตัวแยกมาตรฐานอุตสาหกรรมทำได้โดยใช้สนามแม่เหล็ก ซึ่งสร้างปัญหาให้กับโรงงานผลิตชิป “สุดยอด CMOS มีข้อกำหนดที่เข้มงวดมากเกี่ยวกับสิ่งที่พวกเขาสามารถมีได้ในห้องปลอดเชื้อ” Xiang ซึ่งขณะนี้อยู่ที่มหาวิทยาลัยฮ่องกงอธิบาย “โดยปกติไม่อนุญาตให้ใช้วัสดุที่เป็นแม่เหล็ก”

บูรณาการ แต่แยกจากกัน

เนื่องจากอุณหภูมิที่สูงที่จำเป็นสำหรับการหลอมท่อนำคลื่นสามารถสร้างความเสียหายให้กับส่วนประกอบอื่นๆ ได้ Xiang, Bowers และเพื่อนร่วมงานจึงเริ่มด้วยการสร้างท่อนำคลื่นซิลิกอนไนไตรด์ที่สูญเสียต่ำเป็นพิเศษบนพื้นผิวซิลิกอน จากนั้นพวกเขาหุ้มท่อนำคลื่นด้วยวัสดุที่ทำจากซิลิกอนหลายชั้น และติดตั้งเลเซอร์อินเดียมฟอสเฟตที่มีสัญญาณรบกวนต่ำที่ด้านบนของสแต็ค หากพวกเขาติดตั้งเลเซอร์และท่อนำคลื่นเข้าด้วยกัน การแกะสลักที่เกี่ยวข้องกับการสร้างเลเซอร์อาจทำให้ท่อนำคลื่นเสียหายได้ แต่การเชื่อมชั้นที่ตามมาด้านบนช่วยแก้ปัญหานี้ได้

การแยกเลเซอร์และท่อนำคลื่นหมายความว่าวิธีเดียวที่อุปกรณ์ทั้งสองสามารถโต้ตอบได้คือการเชื่อมต่อกันผ่าน "ชั้นการกระจายซ้ำ" ของซิลิคอนไนไตรด์ระดับกลางผ่านสนามอีวาเซนเซนต์ (ส่วนประกอบของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ไม่แพร่กระจาย แต่แทนที่จะสลายตัวออกห่างจาก แหล่งที่มา). ระยะห่างระหว่างกันจึงลดสัญญาณรบกวนที่ไม่พึงประสงค์ให้เหลือน้อยที่สุด “เลเซอร์ด้านบนและท่อนำคลื่นที่มีการสูญเสียต่ำเป็นพิเศษอยู่ห่างกันมาก” Xiang กล่าว “ดังนั้นทั้งคู่จึงสามารถมีประสิทธิภาพที่ดีที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ด้วยตัวมันเอง การควบคุมชั้นการกระจายตัวของซิลิกอนไนไตรด์ทำให้สามารถเชื่อมต่อเข้ากับตำแหน่งที่คุณต้องการได้ หากปราศจากมัน พวกเขาก็จะไม่เป็นคู่กัน”

รวมอุปกรณ์แอคทีฟและพาสซีฟที่ดีที่สุด

นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าการตั้งค่าเลเซอร์นี้มีความทนทานต่อเสียงรบกวนในระดับที่คาดไว้ในการทดลองมาตรฐาน พวกเขายังได้แสดงให้เห็นถึงประโยชน์ของอุปกรณ์ด้วยการผลิตเครื่องกำเนิดความถี่ไมโครเวฟที่ปรับแต่งได้โดยการปรับความถี่บีตระหว่างเลเซอร์สองตัว ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่สามารถทำได้มาก่อนในวงจรรวม

จากการใช้งานที่หลากหลายสำหรับเลเซอร์ที่มีสัญญาณรบกวนต่ำมากในเทคโนโลยีสมัยใหม่ ทีมงานกล่าวว่าความสามารถในการใช้เลเซอร์ดังกล่าวในโฟโตนิกส์แบบรวมของซิลิคอนถือเป็นก้าวกระโดดครั้งใหญ่ “ในที่สุด บนชิปเดียวกัน เราสามารถมีอุปกรณ์แอคทีฟที่ดีที่สุดและอุปกรณ์แบบพาสซีฟที่ดีที่สุดไว้ด้วยกัน” Xiang กล่าว “สำหรับขั้นตอนต่อไป เราจะใช้เลเซอร์ที่มีสัญญาณรบกวนต่ำมากเหล่านี้เพื่อเปิดใช้งานฟังก์ชันออปติกที่ซับซ้อนมาก เช่น มาตรวิทยาและการตรวจจับที่แม่นยำ”

metasurfaces คลื่นรั่วเชื่อมต่อท่อนำคลื่นกับออปติกพื้นที่ว่าง

สก็อตต์ ดิดแดมส์นักฟิสิกส์เชิงแสงแห่งมหาวิทยาลัยโคโลราโด เมืองโบลเดอร์ ประเทศสหรัฐอเมริกา ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในงานวิจัยนี้รู้สึกประทับใจว่า “ปัญหาของเลเซอร์แบบรวมที่มีตัวแยกแสงนี้เป็นปัญหาของชุมชนมาเป็นเวลาอย่างน้อยหนึ่งทศวรรษแล้ว และไม่มีใครเคยเป็น รู้จักวิธีแก้ปัญหาในการสร้างเลเซอร์ที่มีสัญญาณรบกวนต่ำจริงๆ บนชิป… ดังนั้นนี่จึงเป็นความก้าวหน้าอย่างแท้จริง” เขากล่าว “คนอย่าง John Bowers ทำงานด้านนี้มา 20 ปีแล้ว ดังนั้นพวกเขาจึงรู้โครงสร้างพื้นฐาน แต่การหาวิธีทำให้ทั้งหมดทำงานร่วมกันได้อย่างสมบูรณ์แบบนั้นไม่ใช่แค่การต่อชิ้นส่วนเข้าด้วยกัน”

Diddams เสริมว่าอุปกรณ์แบบรวมใหม่นี้มีแนวโน้มที่จะ "มีผลกระทบอย่างมาก" ในระบบควอนตัมคอมพิวเตอร์ “บริษัทที่จริงจังกำลังพยายามสร้างแพลตฟอร์มที่เกี่ยวข้องกับอะตอมและไอออน อะตอมและไอออนเหล่านั้นทำงานในสีที่เฉพาะเจาะจงมาก และเราจะพูดคุยกับพวกเขาด้วยแสงเลเซอร์” เขาอธิบาย “ไม่มีทางที่จะมีใครสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทำงานได้ตามขนาดโดยปราศจากโฟโตนิกส์ในตัวเช่นนี้”

การวิจัยถูกตีพิมพ์ลงที่ ธรรมชาติ.