Uniwersytet Yale: Strata światła ultrafioletowego w rezonatorach fotonicznych w skali chipowej osiągnęła nowy poziom

Ze względu na kluczową rolę fotoniki w przekazywaniu informacji i informatyce kwantowej, szczególnie istotne są badania w dziedzinie światła ultrafioletowego. Zespołowi badawczemu z Uniwersytetu Yale udało się zbudować oparty na chipie rezonator fotoniczny, który działa w zakresie od ultrafioletu (UV) do światła widzialnego i charakteryzuje się niespotykanie niską utratą światła UV. Ten nowy rezonator zapewnia solidną podstawę do zwiększania rozmiaru, złożoności i wierności projektów fotonicznych układów scalonych (PIC) w ultrafiolecie i oczekuje się, że przyspieszy zastosowanie urządzeń opartych na mikrochipach w wykrywaniu widmowym, komunikacji podwodnej i przetwarzaniu informacji kwantowych.

Rezonator pierścieniowy o skali chipowej, pokazany na rysunku 1, działa w zakresie od ultrafioletu do światła widzialnego i osiąga rekordowo niską utratę światła UV. Rezonator (małe kółko pośrodku) jest pokazany w niebieskim świetle.

Chengxing He, członek zespołu badawczego na Uniwersytecie Yale, powiedział: „W porównaniu ze stosunkowo dojrzałą fotoniką telekomunikacyjną i fotoniką widzialną, badania nad fotoniką ultrafioletową są wciąż stosunkowo niewielkie. Biorąc jednak pod uwagę potrzebę wykorzystania długości fal ultrafioletowych w obliczeniach kwantowych opartych na atomach/jonach w celu manipulowania pewnymi przejściami stanów atomowych i aktywowania określonych cząsteczek fluorescencyjnych do celów biochemicznych wykrywania, eksploracja w tym obszarze jest niezwykle cenna. Nasze badania stanowią ważną podstawę do budowy obwodów fotonicznych o długości fali ultrafioletowej.”

W artykule naukowcy opisują mikrorezonator optyczny na bazie tlenku glinu oraz sposób, w jaki osiągnęli bezprecedensowo niskie straty w zakresie fal ultrafioletowych, łącząc odpowiednie materiały ze zoptymalizowanym projektem i produkcją.

Hong Tang, kierownik zespołu badawczego, powiedział: „Nasze badania pokazują, że ultrafioletowe fotoniczne układy scalone (UV PIC) osiągnęły obecnie punkt zwrotny, w którym utrata światła w widmie ultrafioletowym nie jest bardziej dotkliwa niż w obszarze widzialnym. Oznacza to, że wszystkie zaawansowane struktury PIC opracowane wcześniej dla długości fal widzialnych i telekomunikacyjnych, takie jak grzebienie częstotliwości i technologie blokowania wtrysku, można teraz rozszerzyć na ultrafiolet. długości fal.”

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

Mikrorezonator z tlenku glinu: zmniejsza utratę światła

zdjęcie

Mikrorezonator jest zbudowany z wysokiej jakości warstwy tlenku glinu przygotowanej przez współautorów Integris, Carlo Waldfrieda i Jun-Fei Zhenga, przy użyciu zaawansowanej technologii osadzania warstwy atomowej (ALD). Tlenek glinu ma duże pasmo wzbronione (około 8 eV), dzięki czemu jest przezroczysty dla fotonów ultrafioletowych o niższej energii (około 4 eV), więc materiał nie pochłania światła ultrafioletowego.

Poprzedni rekord został osiągnięty przy użyciu azotku glinu z pasmem wzbronionym około 6 eV. W przeciwieństwie do monokrystalicznego azotku glinu, amorficzne warstwy atomowe osadzone z tlenkiem glinu mają mniej defektów, są łatwiejsze w produkcji i charakteryzują się mniejszą utratą światła.

Podczas wytwarzania mikrorezonatora badacze trawili tlenek glinu, tworząc strukturę powszechnie nazywaną „żebrowanym falowodem”. W tym żebrowanym falowodzie wąski pasek u góry tworzy strukturę ograniczającą propagację światła. Im głębsze żebro falowodu, tym silniejsze ograniczenie światła, ale oznacza to również, że zwiększają się straty rozpraszania. Aby zoptymalizować strukturę, wykorzystali techniki symulacyjne w celu określenia optymalnej głębokości trawienia, mając na celu osiągnięcie idealnego zamknięcia wiązki przy jednoczesnej minimalizacji strat rozpraszania.

Rezonatory pierścieniowe: ocena działania i perspektywy integracji

zdjęcie

Zespół badawczy wykorzystał doświadczenie zdobyte podczas badania falowodów do wyprodukowania rezonatora pierścieniowego o promieniu 400 μm. Zaobserwowali, że na warstwach tlenku glinu o grubości 400 nm, gdy głębokość trawienia sięga ponad 80 nm, utrata promieniowania spada do mniej niż 0,06 dB/cm przy 488,5 nm i 0,001 dB/cm przy 390 nm.

Na rezonatorze pierścieniowym zbudowanym zgodnie z tymi parametrami badacze ocenili współczynnik jakości Q, mierząc szerokość piku rezonansowego i skanując częstotliwość optyczną rezonatora. Wyniki pokazują, że współczynnik jakości wynosi aż 1,5×106 przy długości fali 390 nm (zakres UV) i 1,9×106 przy 488,5 nm (zakres widzialnego koloru niebieskiego) (wyższy współczynnik jakości oznacza mniejszą utratę światła).

W porównaniu z układami PIC zaprojektowanymi specjalnie dla światła widzialnego lub długości fal telekomunikacyjnych, układy PIC UV mogą mieć przewagę w dziedzinie komunikacji ze względu na ich szersze pasmo lub trudniejszą absorpcję w pewnych warunkach, np. pod wodą. Co więcej, technologia osadzania warstwy atomowej do produkcji tlenku glinu jest kompatybilna z technologią CMOS, co stwarza możliwość fuzji fotoniki CMOS i amorficznego tlenku glinu.

Obecnie naukowcy pracują nad opracowaniem rezonatorów pierścieniowych na bazie tlenku glinu, które można dostroić do wielu długości fal. Pomoże to w uzyskaniu precyzyjnej kontroli długości fali lub opracowaniu modulatorów przy użyciu dwóch oddziałujących na siebie rezonatorów. Ponadto planują opracować źródło światła UV zintegrowane z PIC, aby zbudować kompletny system UV oparty na Pic.

Ekstremalne światło ultrafioletowe (EUV) to podobszar zakresu ultrafioletu (UV), który ma krótszą długość fali niż inne podregiony UV i jest często wykorzystywany do precyzyjnych zastosowań technicznych. Aby podnieść poziom badań Chin w dziedzinach nauki, technologii i zastosowań związanych ze źródłami ekstremalnego ultrafioletu oraz promować kompleksowy rozwój źródeł ekstremalnego ultrafioletu dla światowej granicy naukowej, krajowych potrzeb strategicznych, głównego pola bitwy gospodarki narodowej, informacji i sztucznej inteligencji, China Laser planuje opublikować temat „Źródło i zastosowanie ekstremalnego ultrafioletu” w 7. numerze (kwiecień) 2024 r. Skoncentruj się na najnowszym postępie i rozwoju trend źródła ekstremalnego światła ultrafioletowego w badaniach i zastosowaniach technicznych oraz promowanie szkolenia talentów wysokiej jakości kompozytów i budowy pokrewnych dyscyplin.