Πανεπιστήμιο Yale: Η απώλεια υπεριώδους φωτός των φωτονικών συντονιστών κλίμακας τσιπ έφτασε σε νέο χαμηλό

Με τον βασικό ρόλο της φωτονικής στην επικοινωνία πληροφοριών και στους κβαντικούς υπολογιστές, η έρευνα στον τομέα του υπεριώδους φωτός είναι ιδιαίτερα σημαντική. Μια ερευνητική ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Γέιλ κατασκεύασε με επιτυχία έναν φωτονικό συντονιστή με βάση το τσιπ που λειτουργεί στο φάσμα υπεριώδους (UV) έως ορατού φωτός και παρουσιάζει πρωτοφανή χαμηλή απώλεια υπεριώδους φωτός. Αυτό το νέο αντηχείο παρέχει μια σταθερή βάση για την επέκταση του σχεδιαστικού μεγέθους, της πολυπλοκότητας και της πιστότητας των υπεριωδών φωτονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (PIC) και αναμένεται να προωθήσει την εφαρμογή συσκευών που βασίζονται σε μικροτσίπ στη φασματική ανίχνευση, τις υποβρύχιες επικοινωνίες και την κβαντική επεξεργασία πληροφοριών.

Ο συντονιστής δακτυλίου κλίμακας τσιπ, που φαίνεται στο Σχήμα 1, λειτουργεί στο φάσμα υπεριώδους έως ορατού και επιτυγχάνει ρεκόρ χαμηλής απώλειας υπεριώδους φωτός. Το αντηχείο (μικρός κύκλος στη μέση) εμφανίζεται με μπλε φως.

Ο Chengxing He, μέλος της ερευνητικής ομάδας στο Πανεπιστήμιο Yale, είπε: "Σε σύγκριση με τη σχετικά ώριμη τηλεπικοινωνιακή φωτονική και την ορατή φωτονική, η έρευνα της υπεριώδους φωτονικής είναι ακόμα σχετικά μικρή. Ωστόσο, λαμβάνοντας υπόψη την ανάγκη χρήσης υπεριωδών μηκών κύματος σε κβαντικούς υπολογισμούς βασισμένους σε άτομα/ιόντα για τον χειρισμό ορισμένων ατομικών μεταπτώσεων ειδικών μορίων και χημικών ρευστών. Η εξερεύνηση σε αυτήν την περιοχή είναι εξαιρετικά πολύτιμη η έρευνά μας θέτει μια σημαντική βάση για την κατασκευή φωτονικών κυκλωμάτων υπεριώδους μήκους κύματος».

Στο έγγραφο, οι ερευνητές περιγράφουν έναν οπτικό μικροσυντονιστή με βάση την αλουμίνα και πώς πέτυχαν άνευ προηγουμένου χαμηλές απώλειες στα υπεριώδη μήκη κύματος συνδυάζοντας τα σωστά υλικά με βελτιστοποιημένο σχεδιασμό και κατασκευή.

Ο Hong Tang, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας, δήλωσε: "Η έρευνά μας δείχνει ότι τα υπεριώδη φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα (UV PIC) έχουν πλέον φτάσει σε ένα σημείο καμπής όπου η απώλεια φωτός δεν είναι πιο σοβαρή στο φάσμα υπεριώδους από ό,τι στην ορατή περιοχή. Αυτό σημαίνει ότι όλες οι προηγμένες δομές PIC που αναπτύχθηκαν προηγουμένως για ορατά και τηλεπικοινωνιακά μήκη κύματος, όπως οι τεχνολογίες υπεριώδους μήκη κύματος».

DOI: https://doi.org/10.1364/OE.492510

Μικροαντηχείο αλουμίνας: μειώνει την απώλεια φωτός

εικόνα

Ο μικροσυντονιστής είναι κατασκευασμένος από υψηλής ποιότητας φιλμ αλουμίνας που παρασκευάστηκε από τους συν-συγγραφείς του Integris Carlo Waldfried και Jun-Fei Zheng χρησιμοποιώντας προηγμένη τεχνολογία εναπόθεσης ατομικού στρώματος (ALD). Η αλουμίνα έχει ένα μεγάλο διάκενο ζώνης (περίπου 8 eV), καθιστώντας το διαφανές σε χαμηλότερης ενέργειας (περίπου 4 eV) υπεριώδη φωτόνια, έτσι ώστε το υλικό να μην απορροφά το υπεριώδες φως.

Το προηγούμενο ρεκόρ επιτεύχθηκε χρησιμοποιώντας νιτρίδιο αλουμινίου με διάκενο ζώνης περίπου 6 eV. Σε αντίθεση με το νιτρίδιο του αλουμινίου μονοκρυστάλλου, τα άμορφα ατομικά στρώματα που εναποτίθενται με αλουμίνα έχουν λιγότερα ελαττώματα, είναι πιο εύκολο να παραχθούν και έχουν μικρότερη απώλεια φωτός.

Κατά τη διάρκεια της κατασκευής του μικροσυντονιστή, οι ερευνητές χάραξαν οξείδιο του αλουμινίου για να σχηματίσουν μια δομή που συνήθως αναφέρεται ως «ραβδωτός κυματοδηγός». Σε αυτόν τον ραβδωτό κυματοδηγό, μια στενή λωρίδα στην κορυφή σχηματίζει μια δομή που περιορίζει τη διάδοση του φωτός. Όσο πιο βαθιά είναι η νεύρωση του κυματοδηγού, τόσο πιο ισχυρός είναι ο περιορισμός του φωτός, αλλά σημαίνει επίσης ότι αυξάνεται η απώλεια σκέδασης. Για να βελτιστοποιήσουν τη δομή, χρησιμοποίησαν τεχνικές προσομοίωσης για τον προσδιορισμό του βέλτιστου βάθους χάραξης, με στόχο να επιτύχουν τον ιδανικό περιορισμό της δέσμης ελαχιστοποιώντας τις απώλειες σκέδασης.

Αντηχεία δακτυλίου: Αξιολόγηση απόδοσης και προοπτικές ολοκλήρωσης

εικόνα

Η ερευνητική ομάδα εφάρμοσε την εμπειρία που απέκτησε από τη μελέτη των κυματοδηγών στην κατασκευή ενός συντονιστή δακτυλίου με ακτίνα 400 μm. Παρατήρησαν ότι σε μεμβράνες οξειδίου του αλουμινίου με πάχος 400 nm, όταν το βάθος χάραξης φτάσει πάνω από 80 nm, η απώλεια ακτινοβολίας μειώνεται σε λιγότερο από 0,06 dB/cm στα 488,5 nm και 0,001 dB/cm στα 390 nm.

Σε ένα αντηχείο δακτυλίου που κατασκευάστηκε σύμφωνα με αυτές τις παραμέτρους, οι ερευνητές αξιολόγησαν τον παράγοντα ποιότητας Q μετρώντας το πλάτος κορυφής συντονισμού και σάρωση της οπτικής συχνότητας του αντηχείου. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο παράγοντας ποιότητας είναι τόσο υψηλός όσο 1,5×106 σε μήκος κύματος 390 nm (εύρος UV) και 1,9×106 στα 488,5 nm (ορατό μπλε εύρος) (υψηλότερος συντελεστής ποιότητας σημαίνει λιγότερη απώλεια φωτός).

Σε σύγκριση με τα PIC που έχουν σχεδιαστεί ειδικά για ορατό φως ή μήκη κύματος τηλεπικοινωνιών, τα UV PIC μπορεί να έχουν πλεονέκτημα στον τομέα των επικοινωνιών λόγω του ευρύτερου εύρους ζώνης τους ή λόγω της λιγότερο εύκολης απορρόφησής τους υπό ορισμένες συνθήκες, όπως κάτω από το νερό. Πιο συγκεκριμένα, η τεχνολογία εναπόθεσης ατομικού στρώματος για την παραγωγή αλουμίνας είναι συμβατή με την τεχνολογία CMOS, η οποία δημιουργεί τη δυνατότητα σύντηξης CMOS και φωτονικής άμορφης αλουμίνας.

Επί του παρόντος, οι ερευνητές εργάζονται για την ανάπτυξη συντονιστών δακτυλίων με βάση την αλουμίνα που μπορούν να συντονιστούν σε πολλαπλά μήκη κύματος. Αυτό θα βοηθήσει στον ακριβή έλεγχο του μήκους κύματος ή στην ανάπτυξη διαμορφωτών χρησιμοποιώντας δύο αλληλεπιδρώντες συντονιστές. Επιπλέον, σχεδιάζουν να αναπτύξουν μια πηγή φωτός UV ενσωματωμένη στο PIC για την κατασκευή ενός πλήρους συστήματος UV που βασίζεται σε Pic.

Το ακραίο υπεριώδες φως (EUV) είναι μια υποπεριοχή στην περιοχή υπεριώδους (UV) που έχει μικρότερο μήκος κύματος από άλλες υποπεριοχές υπεριώδους ακτινοβολίας και χρησιμοποιείται συχνά για τεχνικές εφαρμογές υψηλής ακρίβειας. Προκειμένου να βελτιωθεί το ερευνητικό επίπεδο της Κίνας στους τομείς της επιστήμης, της τεχνολογίας και των εφαρμογών που σχετίζονται με την πηγή ακραίου υπεριώδους φωτός και για την προώθηση της ολοκληρωμένης ανάπτυξης πηγής ακραίου υπεριώδους φωτός για τα επιστημονικά σύνορα του κόσμου, τις εθνικές στρατηγικές ανάγκες, το κύριο πεδίο μάχης της εθνικής οικονομίας, τις πληροφορίες και την τεχνητή νοημοσύνη, η China Laser σχεδιάζει να δημοσιεύσει το θέμα "Extreme Ultraviolet Light Source and Application" στο 7ο τεύχος τελευταίας έκδοσης. τάση της ακραίας πηγής υπεριώδους φωτός στην έρευνα και την τεχνική εφαρμογή και την προώθηση της εκπαίδευσης σύνθετων ταλέντων υψηλής ποιότητας και την κατασκευή συναφών κλάδων.