Універсальний чіп вперше поєднує лазер і фотонний хвилевід – Physics World

Дослідники в США вперше інтегрували лазери з наднизьким рівнем шуму та фотонні хвилеводи в один чіп. Це довгоочікуване досягнення може зробити можливим проведення високоточних експериментів з атомними годинниками та іншими квантовими технологіями в одному інтегрованому пристрої, усуваючи потребу в оптичних столах розміром з кімнату в деяких додатках.

Коли електроніка була в зародковому стані, дослідники працювали з діодами, транзисторами тощо як з окремими пристроями. Справжній потенціал технології був реалізований лише після 1959 року, коли винахід інтегральної схеми дозволив упакувати всі ці компоненти в чіп. Дослідники фотоніки хотіли б здійснити подібний подвиг інтеграції, але вони стикаються з перешкодою: «Для фотонної лінії зв’язку нам потрібно використовувати джерело світла, яким зазвичай є лазер, як передавач для надсилання сигналу на нижчі оптичні лінії зв’язку, наприклад волокна або хвилеводи», – пояснює Чао Сян, який керував дослідженням як постдок в Джон Бауерс група в Каліфорнійському університеті в Санта-Барбарі. «Але коли ви посилаєте світло, воно зазвичай генерує деяке зворотне відбиття: воно повертається в лазер і робить його дуже нестабільним».

Щоб уникнути таких відображень, дослідники зазвичай вставляють ізолятори. Вони дозволяють світлу проходити лише в одному напрямку, порушуючи природну двосторонню взаємність поширення світла. Складність полягає в тому, що промислові стандартні ізолятори досягають цього за допомогою магнітного поля, що створює проблеми для виробництва мікросхем. «Виробники CMOS мають дуже суворі вимоги щодо того, що вони можуть мати в чистій кімнаті», — пояснює Сян, який зараз працює в Університеті Гонконгу. «Зазвичай використання магнітних матеріалів заборонено».

Інтегрований, але окремий

Оскільки високі температури, необхідні для відпалу хвилеводів, можуть пошкодити інші компоненти, Xiang, Bowers та їхні колеги почали з виготовлення хвилеводів з нітриду кремнію з наднизькими втратами на кремнієвій підкладці. Потім вони покрили хвилеводи декількома шарами матеріалів на основі кремнію та встановили низькошумний лазер на фосфаті індію у верхній частині стека. Якби вони змонтували лазер і хвилевід разом, травлення, залучене до виготовлення лазера, пошкодило б хвилеводи, але склеювання наступних шарів зверху обійшло цю проблему.

Розділення лазера та хвилеводів також означало, що єдиним способом взаємодії двох пристроїв було з’єднання через проміжний «шар перерозподілу» нітриду кремнію за допомогою їхніх непостійних полів (компонентів електромагнітного поля, які не поширюються, а натомість експоненціально спадають у напрямку від джерело). Таким чином, відстань між ними мінімізувала небажані перешкоди. «Верхній лазер і нижній хвилевід із наднизькими втратами знаходяться дуже далеко, — говорить Сян, — тому вони обидва можуть мати найкращу продуктивність самостійно. Контроль шару перерозподілу нітриду кремнію дозволяє з’єднувати їх саме там, де ви хочете. Без цього вони б не подружилися».

Поєднання найкращих активних і пасивних пристроїв

Дослідники показали, що ця лазерна установка була стійкою до шуму на рівнях, очікуваних у стандартних експериментах. Вони також продемонстрували корисність свого пристрою, створивши регульований генератор мікрохвильової частоти, регулюючи частоту биття між двома такими лазерами – те, що раніше було непрактично на інтегральній схемі.

Враховуючи величезний діапазон застосувань ультранизьких шумових лазерів у сучасних технологіях, команда каже, що можливість використовувати такі лазери в інтегрованій кремнієвій фотоніці є великим кроком вперед. «Нарешті, на одному чіпі ми можемо мати разом найкращі активні та найкращі пасивні пристрої», — каже Сян. «Для наступного кроку ми збираємося використовувати ці дуже малошумні лазери, щоб увімкнути дуже складні оптичні функції, наприклад, у прецизійній метрології та датчиках».

Метаповерхні хвилі витоку з’єднують хвилеводи з оптикою вільного простору

Скотт Діддамс, фізик-оптик з Університету Колорадо, Боулдер, США, який не брав участі в дослідженні, вражений: «Ця проблема інтегрованих лазерів з оптичними ізоляторами була бідою для суспільства принаймні десять років, і ніхто не відомо, як вирішити проблему створення дійсно малошумного лазера на чіпі... отже, це справжній прорив», — каже він. «Такі люди, як Джон Бауерс, працювали в цій галузі протягом 20 років, тому вони знали основні будівельні блоки, але з’ясувати, як змусити їх усі ідеально працювати разом, — це не просто з’єднати шматки».

Діддамс додає, що новий інтегрований пристрій, ймовірно, буде «дуже впливовим» на квантові обчислення. «Серйозні компанії намагаються створювати платформи, які включають атоми та іони – ці атоми та іони працюють у дуже специфічних кольорах, і ми спілкуємося з ними за допомогою лазерного світла», – пояснює він. «Просто неможливо побудувати функціонуючий квантовий комп’ютер у великих масштабах без такої інтегрованої фотоніки».

Дослідження опубліковано в природа.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. Автомобільні / електромобілі, вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• BlockOffsets. Модернізація екологічної компенсаційної власності. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/all-in-one-chip-combines-laser-and-photonic-waveguide-for-the-first-time/