Yale University: Het ultraviolette lichtverlies van fotonische resonatoren op chipschaal heeft een nieuw dieptepunt bereikt

Gezien de sleutelrol van fotonica in informatiecommunicatie en kwantumcomputers is het onderzoek op het gebied van ultraviolet licht bijzonder belangrijk. Een onderzoeksteam van de Yale University heeft met succes een op een chip gebaseerde fotonische resonator gebouwd die werkt in het spectrum van ultraviolet (UV) tot zichtbaar licht en een ongekend laag UV-lichtverlies vertoont. Deze nieuwe resonator biedt een solide basis voor het vergroten van de ontwerpgrootte, complexiteit en betrouwbaarheid van ultraviolette fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC), en zal naar verwachting de toepassing van op microchips gebaseerde apparaten in spectrale detectie, onderwatercommunicatie en kwantuminformatieverwerking bevorderen.

De ringresonator op chipschaal, weergegeven in figuur 1, werkt in het ultraviolette tot zichtbare spectrum en bereikt een recordlaag verlies aan UV-licht. De resonator (kleine cirkel in het midden) wordt weergegeven in blauw licht.

Chengxing He, lid van het onderzoeksteam aan de Yale Universiteit, zei: “Vergeleken met de relatief volwassen telecommunicatiefotonica en zichtbare fotonica is het onderzoek naar ultraviolette fotonica nog steeds relatief klein. Gezien de noodzaak om ultraviolette golflengten te gebruiken in op atomen/ionen gebaseerde kwantumcomputing om bepaalde atomaire toestandsovergangen te manipuleren en specifieke fluorescerende moleculen voor biochemische sensing, verkenning op dit gebied is uiterst waardevol. Ons onderzoek legt een belangrijke basis voor de constructie van fotonische circuits met ultraviolette golflengte."

In het artikel beschrijven de onderzoekers een op aluminiumoxide gebaseerde optische microresonator en hoe ze ongekend lage verliezen bij ultraviolette golflengten bereikten door de juiste materialen te combineren met geoptimaliseerd ontwerp en fabricage.

Hong Tang, leider van het onderzoeksteam, zei: "Ons onderzoek toont aan dat ultraviolette fotonische geïntegreerde schakelingen (UV PIC's) nu een keerpunt hebben bereikt waarop het lichtverlies niet ernstiger is in het ultraviolette spectrum dan in het zichtbare gebied. Dit betekent dat alle geavanceerde PIC-structuren die eerder zijn ontwikkeld voor zichtbare en telecommunicatiegolflengten, zoals frequentiekammen en injectievergrendelingstechnologieën, nu kunnen worden uitgebreid naar ultraviolet golflengten."

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

Alumina micro-resonator: verminder lichtverlies

afbeelding

De microresonator is opgebouwd uit een hoogwaardige aluminiumoxidefilm, vervaardigd door Integris co-auteurs Carlo Waldfried en Jun-Fei Zheng met behulp van geavanceerde atomic layer deposition (ALD) technologie. Aluminiumoxide heeft een grote bandafstand (ongeveer 8 eV), waardoor het transparant is voor ultraviolette fotonen met lagere energie (ongeveer 4 eV), zodat het materiaal geen ultraviolet licht absorbeert.

Het vorige record werd bereikt met behulp van aluminiumnitride met een bandafstand van ongeveer 6 eV. In tegenstelling tot eenkristallijn aluminiumnitride hebben amorfe atomaire lagen afgezet met aluminiumoxide minder defecten, zijn ze gemakkelijker te produceren en hebben ze minder lichtverlies.

Tijdens de fabricage van de microresonator hebben de onderzoekers aluminiumoxide geëtst om een ​​structuur te vormen die gewoonlijk een 'geribbelde golfgeleider' wordt genoemd. In deze geribbelde golfgeleider vormt een smalle strook aan de bovenkant een structuur die de voortplanting van licht beperkt. Hoe dieper de ribbe van de golfgeleider, hoe sterker de lichtbeperking, maar het betekent ook dat het verstrooiingsverlies toeneemt. Om de structuur te optimaliseren, gebruikten ze simulatietechnieken om de optimale etsdiepte te bepalen, met als doel de ideale bundelopsluiting te bereiken en tegelijkertijd verstrooiingsverliezen te minimaliseren.

Ringresonatoren: prestatie-evaluatie en integratievooruitzichten

afbeelding

Het onderzoeksteam paste de ervaring die ze hadden opgedaan bij het bestuderen van golfgeleiders toe op de fabricage van een ringresonator met een straal van 400 μm. Ze merkten op dat op aluminiumoxidefilms met een dikte van 400 nm, wanneer de etsdiepte meer dan 80 nm bereikt, het stralingsverlies afneemt tot minder dan 0,06 dB/cm bij 488,5 nm en 0,001 dB/cm bij 390 nm.

Op een ringresonator die volgens deze parameters was gebouwd, evalueerden de onderzoekers de kwaliteitsfactor Q door de resonante piekbreedte te meten en de optische frequentie van de resonator te scannen. De resultaten laten zien dat de kwaliteitsfactor maar liefst 1,5 x 106 bedraagt ​​bij een golflengte van 390 nm (UV-bereik) en 1,9 x 106 bij 488,5 nm (zichtbaar blauw bereik) (een hogere kwaliteitsfactor betekent minder lichtverlies).

Vergeleken met PIC's die specifiek zijn ontworpen voor zichtbaar licht of telecommunicatiegolflengten, kunnen UV-PIC's een voordeel hebben op communicatiegebied vanwege hun grotere bandbreedte of omdat ze onder bepaalde omstandigheden, zoals onder water, minder gemakkelijk worden geabsorbeerd. Meer in het bijzonder is de atoomlaagdepositietechnologie voor de productie van aluminiumoxide compatibel met de CMOS-technologie, die de mogelijkheid creëert van de fusie van CMOS en amorfe aluminiumoxide-fotonica.

Momenteel werken onderzoekers aan de ontwikkeling van op aluminiumoxide gebaseerde ringresonatoren die op meerdere golflengten kunnen worden afgestemd. Dit zal helpen om nauwkeurige golflengtecontrole te bereiken, of om modulatoren te ontwikkelen door gebruik te maken van twee op elkaar inwerkende resonatoren. Daarnaast zijn ze van plan een UV-lichtbron te ontwikkelen die op de PIC is geïntegreerd om een ​​compleet op Pic gebaseerd UV-systeem te bouwen.

Extreem ultraviolet licht (EUV) is een subregio in het ultraviolette (UV) bereik dat een kortere golflengte heeft dan andere UV-subregio's en vaak wordt gebruikt voor technische toepassingen met hoge precisie. Om het Chinese onderzoeksniveau op het gebied van wetenschap, technologie en toepassingen met betrekking tot bronnen van extreem ultraviolet licht te verbeteren, en de alomvattende ontwikkeling van bronnen van extreem ultraviolet licht te bevorderen voor de wetenschappelijke grens van de wereld, nationale strategische behoeften, het belangrijkste slagveld van de nationale economie, informatie en kunstmatige intelligentie, is China Laser van plan het onderwerp "Bron en toepassing van extreem ultraviolet licht" te publiceren in het 7e nummer (april) van 2024. Focus op de laatste vooruitgang en ontwikkelingstrend van extreem ultraviolette lichtbron in onderzoek en technische toepassing, en het bevorderen van de opleiding van samengestelde hoogwaardige talenten en de constructie van aanverwante disciplines.