Yalen yliopisto: Chip-mittakaavaisten fotonisten resonaattorien ultraviolettivalohäviö on saavuttanut uuden alimman

Koska fotoniikan keskeinen rooli tietoviestinnässä ja kvanttilaskennassa, ultraviolettivalon alan tutkimus on erityisen tärkeää. Yalen yliopiston tutkimusryhmä on onnistuneesti rakentanut sirupohjaisen fotoniresonaattorin, joka toimii ultravioletti (UV) näkyvän valon spektrissä ja jonka UV-valohäviö on ennennäkemättömän pieni. Tämä uusi resonaattori tarjoaa vankan perustan ultraviolettifotonisten integroitujen piirien (PIC) suunnittelukoon, monimutkaisuuden ja tarkkuuden laajentamiselle, ja sen odotetaan edistävän mikrosiruihin perustuvien laitteiden käyttöä spektritunnistuksessa, vedenalaisessa viestinnässä ja kvanttitietojen käsittelyssä.

Kuviossa 1 esitetty sirumittakaavainen rengasresonaattori toimii ultraviolettispektrissä näkyvään spektriin ja saavuttaa ennätyksellisen pienen UV-valohäviön. Resonaattori (pieni ympyrä keskellä) näkyy sinisenä.

Yalen yliopiston tutkimusryhmän jäsen Chengxing He sanoi: "Verrattuna suhteellisen kypsään telekommunikaatiofotoniikkaan ja näkyvään fotoniikkaan ultraviolettifotoniikan tutkimus on vielä suhteellisen vähäistä. Ottaen kuitenkin huomioon tarve käyttää ultraviolettiaallonpituuksia atomi/ionipohjaisessa kvanttilaskennassa tiettyjen atomitilasiirtymien manipuloimiseksi ja biokemiallisten molekyylien spesifisten fluoresenssien aktivoimiseksi. Tämän alueen tutkiminen on erittäin arvokasta. Tutkimuksemme luo tärkeän perustan ultraviolettiaallonpituisten fotonipiirien rakentamiselle."

Artikkelissa tutkijat kuvaavat alumiinioksidipohjaista optista mikroresonaattoria ja kuinka he saavuttivat ennennäkemättömän alhaiset häviöt ultraviolettiaallonpituuksilla yhdistämällä oikeat materiaalit optimoituun suunnitteluun ja valmistukseen.

Tutkimusryhmän johtaja Hong Tang sanoi: "Tutkimuksemme osoittavat, että ultraviolettifotoniset integroidut piirit (UV PIC) ovat nyt saavuttaneet käännekohdan, jossa valohäviö ei ole suurempi ultraviolettispektrissä kuin näkyvällä alueella. Tämä tarkoittaa, että kaikki kehittyneet PIC-rakenteet, jotka on aiemmin kehitetty näkyville ja tietoliikenteen aallonpituuksille, kuten taajuuskammat ja ruiskutuslukitustekniikat, voidaan nyt laajentaa koskemaan ultraviolettiaallonpituudet."

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

Alumiinioksidimikroresonaattori: vähentää valohäviöitä

kuva

Mikroresonaattori on valmistettu korkealaatuisesta alumiinioksidikalvosta, jonka ovat valmistaneet Integris-yhteistyökirjailijat Carlo Waldfried ja Jun-Fei Zheng käyttämällä edistynyttä atomikerrospinnoitustekniikkaa (ALD). Alumiinioksidilla on suuri kaistaväli (noin 8 eV), mikä tekee siitä läpinäkyvän alhaisemman energian (noin 4 eV) ultraviolettifotoneille, joten materiaali ei absorboi ultraviolettivaloa.

Edellinen ennätys saavutettiin alumiininitridillä noin 6 eV:n kaistavälillä. Toisin kuin yksikiteinen alumiininitridi, alumiinioksidilla kerrostetuissa amorfisissa atomikerroksissa on vähemmän vikoja, niitä on helpompi valmistaa ja niiden valohäviö on pienempi.

Mikroresonaattorin valmistuksen aikana tutkijat etsasivat alumiinioksidia muodostaen rakenteen, jota kutsutaan yleisesti "ribiaaltoputkeksi". Tässä uritetussa aaltoputkessa kapea kaistale yläosassa muodostaa rakenteen, joka rajoittaa valon etenemistä. Mitä syvempi aaltoputken ripa on, sitä voimakkaampi on valonrajoitus, mutta se tarkoittaa myös, että sirontahäviö kasvaa. Rakenteen optimoimiseksi he käyttivät simulaatiotekniikoita optimaalisen etsaussyvyyden määrittämiseksi, tavoitteenaan saavuttaa ihanteellinen säteen rajaus ja minimoimalla sirontahäviöt.

Rengasresonaattorit: Suorituskyvyn arviointi ja integrointinäkymät

kuva

Tutkimusryhmä sovelsi aaltojohtojen tutkimisesta saamiaan kokemuksia 400 μm:n säteisen rengasresonaattorin valmistamiseen. He havaitsivat, että alumiinioksidikalvoilla, joiden paksuus on 400 nm, kun etsaussyvyys saavuttaa yli 80 nm, säteilyhäviö pienenee alle 0,06 dB/cm aallonpituudella 488,5 nm ja 0,001 dB/cm aallonpituudella 390 nm.

Näiden parametrien mukaan rakennetussa rengasresonaattorissa tutkijat arvioivat laatutekijän Q mittaamalla resonanssihuipun leveyden ja skannasivat resonaattorin optista taajuutta. Tulokset osoittavat, että laatutekijä on peräti 1,5 × 106 aallonpituudella 390 nm (UV-alue) ja 1,9 × 106 488,5 nm:ssä (näkyvä sininen alue) (korkeampi laatutekijä tarkoittaa vähemmän valohäviötä).

Verrattuna erityisesti näkyvälle valolle tai tietoliikenteen aallonpituuksille suunniteltuihin PIC:eihin, UV PIC:illä voi olla etua viestintäkentässä, koska niiden kaistanleveys on suurempi tai ne imeytyvät huonommin tietyissä olosuhteissa, kuten veden alla. Erityisesti alumiinioksidin tuotannossa käytettävä atomikerrospinnoitustekniikka on yhteensopiva CMOS-tekniikan kanssa, mikä luo mahdollisuuden CMOS:n ja amorfisen alumiinioksidin fotoniikan fuusion.

Tällä hetkellä tutkijat työskentelevät kehittääkseen alumiinioksidipohjaisia ​​rengasresonaattoreita, jotka voidaan virittää useille aallonpituuksille. Tämä auttaa saavuttamaan tarkan aallonpituuden säädön tai kehittämään modulaattoreita käyttämällä kahta vuorovaikutuksessa olevaa resonaattoria. Lisäksi he suunnittelevat kehittävänsä PIC-järjestelmään integroidun UV-valolähteen täydellisen Pic-pohjaisen UV-järjestelmän rakentamiseksi.

Äärimmäinen ultraviolettivalo (EUV) on ultraviolettialueen (UV) osa-alue, jonka aallonpituus on lyhyempi kuin muilla UV-ala-alueilla ja jota käytetään usein erittäin tarkkoihin teknisiin sovelluksiin. Parantaakseen Kiinan tutkimustasoa äärimmäisen ultraviolettivalon lähteisiin liittyvillä tieteen, teknologian ja sovellusten aloilla sekä edistääkseen äärimmäisen ultraviolettivalon lähteen kokonaisvaltaista kehittämistä maailman tieteen eturintamassa, kansallisia strategisia tarpeita, kansantalouden, informaation ja tekoälyn päätaistelukentällä, China Laser aikoo julkaista aiheen "Extreme Ultraviolet Light Source and Application" 7. Focus Focus (A onpri2l) 7. numerossa. Äärimmäisen ultraviolettivalolähteen viimeisin edistys ja kehityssuuntaus tutkimuksessa ja teknisessä sovellutuksessa sekä edistää korkealaatuisten kykyjen koulutusta ja niihin liittyvien alojen rakentamista.