Yale University: Ztráta ultrafialového světla fotonických rezonátorů v měřítku čipu dosáhla nového minima

Vzhledem ke klíčové roli fotoniky v informační komunikaci a kvantových výpočtech je výzkum v oblasti ultrafialového světla obzvláště důležitý. Výzkumný tým na Yale University úspěšně postavil čipový fotonický rezonátor, který pracuje v ultrafialovém (UV) až viditelném světelném spektru a vykazuje nebývale nízkou ztrátu UV světla. Tento nový rezonátor poskytuje solidní základ pro rozšíření velikosti návrhu, složitosti a věrnosti ultrafialových fotonických integrovaných obvodů (PIC) a očekává se, že pokročí v aplikaci zařízení na bázi mikročipů ve spektrálním snímání, podvodní komunikaci a zpracování kvantových informací.

Prstencový rezonátor s čipovou stupnicí, znázorněný na obrázku 1, pracuje v ultrafialovém až viditelném spektru a dosahuje rekordně nízké ztráty UV záření. Rezonátor (malý kruh uprostřed) je zobrazen modrým světlem.

Chengxing He, člen výzkumného týmu na Yaleově univerzitě, řekl: "Ve srovnání s relativně vyspělou telekomunikační fotonikou a viditelnou fotonikou je výzkum ultrafialové fotoniky stále relativně malý. Nicméně, vezmeme-li v úvahu potřebu použití ultrafialových vlnových délek v kvantových výpočtech založených na atomu/iontu k manipulaci s určitými přechody atomových stavů a aktivaci extrémně cenných chemických fluorescenčních molekul pro výzkum této biochemické oblasti pro výzkum biochemických vlastností. důležitý základ pro konstrukci fotonických obvodů s ultrafialovou vlnovou délkou."

V článku vědci popisují optický mikrorezonátor na bázi oxidu hlinitého a jak dosáhli bezprecedentně nízkých ztrát na ultrafialových vlnových délkách kombinací správných materiálů s optimalizovaným designem a výrobou.

Hong Tang, vedoucí výzkumného týmu, řekl: "Náš výzkum ukazuje, že ultrafialové fotonické integrované obvody (UV PIC) nyní dosáhly bodu obratu, kdy ztráta světla není v ultrafialovém spektru vážnější než ve viditelné oblasti. To znamená, že všechny pokročilé struktury PIC dříve vyvinuté pro viditelné a telekomunikační vlnové délky, jako jsou frekvenční hřebeny a technologie zamykání vstřikování, lze nyní rozšířit na ultrafialové vlnové délky."

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

Mikrorezonátor z oxidu hlinitého: snižuje ztráty světla

obrázek

Mikrorezonátor je zkonstruován z vysoce kvalitního filmu z oxidu hlinitého připraveného spoluautory společnosti Integris Carlo Waldfriedem a Jun-Fei Zhengem pomocí pokročilé technologie nanášení atomové vrstvy (ALD). Oxid hlinitý má velkou mezeru v pásmu (asi 8 eV), díky čemuž je transparentní pro ultrafialové fotony s nižší energií (asi 4 eV), takže materiál neabsorbuje ultrafialové světlo.

Předchozí rekord byl dosažen s použitím nitridu hliníku s zakázaným pásmem asi 6 eV. Na rozdíl od monokrystalického nitridu hliníku mají amorfní atomové vrstvy nanesené s oxidem hlinitým méně defektů, snáze se vyrábějí a mají nižší světelné ztráty.

Během výroby mikrorezonátoru vědci leptali oxid hlinitý, aby vytvořili strukturu běžně označovanou jako „žebrovaný vlnovod“. V tomto žebrovaném vlnovodu tvoří úzký proužek nahoře strukturu, která omezuje šíření světla. Čím hlubší je žebro vlnovodu, tím silnější je světelné omezení, ale také to znamená, že se zvyšuje ztráta rozptylu. K optimalizaci struktury použili simulační techniky k určení optimální hloubky leptání s cílem dosáhnout ideálního zadržení paprsku při minimalizaci ztrát rozptylem.

Prstencové rezonátory: Hodnocení výkonu a vyhlídky integrace

obrázek

Výzkumný tým aplikoval zkušenosti získané studiem vlnovodů při výrobě prstencového rezonátoru o poloměru 400 μm. Pozorovali, že na filmech oxidu hlinitého o tloušťce 400 nm, když hloubka leptání dosáhne více než 80 nm, ztráta záření klesá na méně než 0,06 dB/cm při 488,5 nm a 0,001 dB/cm při 390 nm.

Na prstencovém rezonátoru postaveném podle těchto parametrů vědci vyhodnotili faktor kvality Q měřením šířky rezonančního píku a skenováním optické frekvence rezonátoru. Výsledky ukazují, že faktor kvality je až 1,5×106 při vlnové délce 390 nm (UV rozsah) a 1,9×106 při 488,5 nm (viditelná modrá oblast) (vyšší faktor kvality znamená menší ztráty světla).

Ve srovnání s PIC navrženými speciálně pro viditelné světlo nebo telekomunikační vlnové délky mohou mít UV PIC výhodu v oblasti komunikací díky své širší šířce pásma nebo mohou být za určitých podmínek méně snadno absorbovány, například pod vodou. Ještě pozoruhodnější je, že technologie nanášení atomové vrstvy pro výrobu oxidu hlinitého je kompatibilní s technologií CMOS, což vytváří možnost fúze fotoniky CMOS a amorfního oxidu hlinitého.

V současné době výzkumníci pracují na vývoji prstencových rezonátorů na bázi oxidu hlinitého, které lze naladit na více vlnových délek. To pomůže dosáhnout přesného řízení vlnové délky nebo vyvinout modulátory pomocí dvou interagujících rezonátorů. Kromě toho plánují vyvinout zdroj UV světla integrovaný do PIC, aby se vybudoval kompletní UV systém na bázi Pic.

Extrémní ultrafialové světlo (EUV) je podoblast v ultrafialovém (UV) rozsahu, která má kratší vlnovou délku než ostatní podoblasti UV a často se používá pro vysoce přesné technické aplikace. Aby se zlepšila úroveň čínského výzkumu v oblasti vědy, technologie a aplikací souvisejících se zdrojem extrémního ultrafialového světla a aby se podpořil komplexní vývoj zdroje extrémního ultrafialového světla pro světovou vědeckou hranici, národní strategické potřeby, hlavní bojiště národního hospodářství, informací a umělé inteligence, plánuje China Laser publikovat téma „Zdroj a aplikace extrémního ultrafialového světla“ v 7. čísle o extrémním vývoji a trendu ultrafialového světla 2024. dubna. zdroj ve výzkumu a technické aplikaci a podporovat výcvik kompozitních vysoce kvalitních talentů a budování příbuzných oborů.