Йельский университет: потери фотонных резонаторов в масштабе чипа от ультрафиолета достигли нового минимума

Учитывая ключевую роль фотоники в информационной передаче и квантовых вычислениях, исследования в области ультрафиолетового света особенно важны. Исследовательская группа из Йельского университета успешно создала фотонный резонатор на основе чипа, который работает в диапазоне от ультрафиолета (УФ) до видимого света и демонстрирует беспрецедентно низкие потери ультрафиолетового света. Этот новый резонатор обеспечивает прочную основу для увеличения размера конструкции, сложности и точности ультрафиолетовых фотонных интегральных схем (PIC) и, как ожидается, будет способствовать развитию применения устройств на основе микрочипов в спектральном зондировании, подводной связи и квантовой обработке информации.

Кольцевой резонатор в масштабе микросхемы, показанный на рисунке 1, работает в диапазоне от ультрафиолетового до видимого спектра и обеспечивает рекордно низкие потери ультрафиолетового света. Резонатор (маленький кружок посередине) показан синим светом.

Чэнсин Хэ, член исследовательской группы Йельского университета, сказал: «По сравнению с относительно развитой телекоммуникационной фотоникой и видимой фотоникой, исследования в области ультрафиолетовой фотоники все еще относительно невелики. разведка в этой области чрезвычайно ценна. Наши исследования закладывают важную основу для создания фотонных схем ультрафиолетового диапазона волн».

В статье исследователи описывают оптический микрорезонатор на основе оксида алюминия и то, как им удалось добиться беспрецедентно низких потерь в ультрафиолетовых волнах за счет сочетания правильных материалов с оптимизированной конструкцией и изготовлением.

Хун Тан, руководитель исследовательской группы, сказал: «Наше исследование показывает, что ультрафиолетовые фотонные интегральные схемы (УФ-ПОС) сейчас достигли поворотного момента, когда потеря света в ультрафиолетовом спектре не более серьезна, чем в видимой области. Это означает, что все передовые структуры ПОС, ранее разработанные для видимых и телекоммуникационных длин волн, такие как частотные гребенки и технологии блокировки инжекции, теперь могут быть расширены до ультрафиолетовые волны».

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

Микрорезонатор из оксида алюминия: уменьшает потери света

картина

Микрорезонатор изготовлен из высококачественной пленки оксида алюминия, изготовленной соавторами Integris Карло Вальдфридом и Цзюнь-Феем Чжэном с использованием передовой технологии атомно-слоевого осаждения (ALD). Оксид алюминия имеет большую запрещенную зону (около 8 эВ), что делает его прозрачным для ультрафиолетовых фотонов более низкой энергии (около 4 эВ), поэтому материал не поглощает ультрафиолетовый свет.

Предыдущий рекорд был достигнут при использовании нитрида алюминия с шириной запрещенной зоны около 6 эВ. В отличие от монокристаллического нитрида алюминия аморфные атомные слои, нанесенные оксидом алюминия, имеют меньше дефектов, проще в изготовлении и имеют меньшие потери света.

Во время изготовления микрорезонатора исследователи протравили оксид алюминия, чтобы сформировать структуру, обычно называемую «ребристым волноводом». В этом ребристом волноводе узкая полоска вверху образует структуру, ограничивающую распространение света. Чем глубже ребро волновода, тем сильнее ограничение света, но это также означает, что потери на рассеяние увеличиваются. Чтобы оптимизировать структуру, они использовали методы моделирования для определения оптимальной глубины травления, стремясь достичь идеального ограничения луча при минимизации потерь на рассеяние.

Кольцевые резонаторы: оценка эффективности и перспективы интеграции

картина

Исследовательская группа применила опыт, полученный при изучении волноводов, для изготовления кольцевого резонатора радиусом 400 мкм. Они заметили, что на пленках оксида алюминия толщиной 400 нм при глубине травления более 80 нм потери излучения уменьшаются до менее 0,06 дБ/см при 488,5 нм и 0,001 дБ/см при 390 нм.

На кольцевом резонаторе, построенном по этим параметрам, исследователи оценили добротность Q, измерив ширину резонансного пика и просканировав оптическую частоту резонатора. Результаты показывают, что коэффициент качества достигает 1,5×106 при длине волны 390 нм (УФ-диапазон) и 1,9×106 при 488,5 нм (видимый синий диапазон) (более высокий коэффициент качества означает меньшие потери света).

По сравнению с PIC, разработанными специально для видимого света или телекоммуникационных длин волн, UV PIC могут иметь преимущество в области связи из-за их более широкой полосы пропускания или менее легкого поглощения в определенных условиях, например, под водой. В частности, технология атомно-слоевого осаждения для производства оксида алюминия совместима с технологией КМОП, что создает возможность слияния КМОП и фотоники аморфного оксида алюминия.

В настоящее время исследователи работают над разработкой кольцевых резонаторов на основе оксида алюминия, которые можно настроить на несколько длин волн. Это поможет добиться точного управления длиной волны или разработать модуляторы с использованием двух взаимодействующих резонаторов. Кроме того, они планируют разработать источник УФ-излучения, интегрированный в PIC, для создания полноценной УФ-системы на основе Pic.

Экстремальный ультрафиолетовый свет (EUV) — это подобласть ультрафиолетового (УФ) диапазона, которая имеет более короткую длину волны, чем другие подобласти УФ-излучения, и часто используется для высокоточных технических приложений. В целях повышения уровня исследований Китая в области науки, технологий и приложений, связанных с источниками крайнего ультрафиолетового света, а также содействия комплексной разработке источников крайнего ультрафиолетового света для мировых научных границ, национальных стратегических нужд, главного поля битвы национальной экономики, информации и искусственного интеллекта, China Laser планирует опубликовать тему «Источник и применение крайнего ультрафиолетового света» в 7-м выпуске (апрель) 2024 года. Сосредоточьтесь на последних Тенденция прогресса и развития источников крайнего ультрафиолетового света в научно-исследовательских и технических приложениях, а также содействие подготовке сложных высококачественных талантов и созданию соответствующих дисциплин.