Yale University: Förlusten av ultraviolett ljus av fotoniska resonatorer i chipsskala har nått ett nytt låg

Med fotonikens nyckelroll i informationskommunikation och kvantberäkning är forskningen inom området ultraviolett ljus särskilt viktig. Ett forskarlag vid Yale University har framgångsrikt byggt en chipbaserad fotonisk resonator som arbetar i ultraviolett (UV) till synligt ljusspektrum och uppvisar oöverträffad låg UV-ljusförlust. Denna nya resonator ger en solid grund för att utöka designstorleken, komplexiteten och troheten hos ultravioletta fotoniska integrerade kretsar (PIC), och förväntas främja tillämpningen av mikrochipsbaserade enheter inom spektral avkänning, undervattenskommunikation och kvantinformationsbehandling.

Ringresonatorn i chipskala, som visas i figur 1, arbetar i det ultravioletta till synliga spektrumet och uppnår rekordlåga UV-ljusförluster. Resonatorn (liten cirkel i mitten) visas i blått ljus.

Chengxing He, en medlem av forskargruppen vid Yale University, sa: "Jämfört med den relativt mogna telekommunikationsfotoniken och den synliga fotoniken är forskningen inom ultraviolett fotonik fortfarande relativt liten. Men med tanke på behovet av att använda ultravioletta våglängder i atom/jonbaserad kvantberäkning för att manipulera vissa atomära tillståndsövergångar för fluorescenser och molekylära tillståndsövergångar, aktiveras biokemiska tillstånd och biokemiska övergångar. utforskning i detta område är oerhört värdefullt. Vår forskning lägger en viktig grund för konstruktionen av fotoniska kretsar med ultraviolett våglängd."

I artikeln beskriver forskarna en aluminiumoxidbaserad optisk mikroresonator och hur de uppnådde oöverträffade låga förluster vid ultravioletta våglängder genom att kombinera rätt material med optimerad design och tillverkning.

Hong Tang, ledare för forskargruppen, sa: "Vår forskning visar att ultravioletta fotoniska integrerade kretsar (UV PIC) nu har nått en vändpunkt där ljusförlusten inte är allvarligare i det ultravioletta spektrumet än i det synliga området. Detta innebär att alla avancerade PIC-strukturer som tidigare utvecklats för synliga våglängder och telekommunikationsvåglängder, som t.ex. injektions-, frekvenslåsningsteknologier och frekvenslåsningskammar nu kan utökas till våglängder."

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

Aluminiumoxid mikroresonator: minska ljusförlusten

bild

Mikroresonatorn är konstruerad av en högkvalitativ aluminiumoxidfilm framställd av Integris medförfattare Carlo Waldfried och Jun-Fei Zheng med hjälp av avancerad atomskiktsavsättningsteknik (ALD). Aluminiumoxid har ett stort bandgap (cirka 8 eV), vilket gör det transparent för ultravioletta fotoner med lägre energi (cirka 4 eV), så att materialet inte absorberar ultraviolett ljus.

Det tidigare rekordet uppnåddes med aluminiumnitrid med ett bandgap på cirka 6 eV. Till skillnad från enkristallinaluminiumnitrid har amorfa atomskikt avsatta med aluminium färre defekter, är lättare att producera och har lägre ljusförlust.

Under tillverkningen av mikroresonatorn etsade forskarna aluminiumoxid för att bilda en struktur som vanligtvis kallas en "ribbad vågledare". I denna räfflade vågledare bildar en smal remsa upptill en struktur som begränsar ljusets utbredning. Ju djupare vågledarens ribba är, desto starkare är ljusbegränsningen, men det betyder också att spridningsförlusten ökar. För att optimera strukturen använde de simuleringstekniker för att bestämma det optimala etsdjupet, i syfte att uppnå den ideala strålinneslutningen samtidigt som spridningsförlusterna minimerades.

Ringresonatorer: Prestandautvärdering och integrationsutsikter

bild

Forskargruppen tillämpade erfarenheten de fick från att studera vågledare för att tillverka en ringresonator med en radie på 400 μm. De observerade att på aluminiumoxidfilmer med en tjocklek av 400 nm, när etsdjupet når mer än 80 nm, minskar strålningsförlusten till mindre än 0,06 dB/cm vid 488,5 nm och 0,001 dB/cm vid 390 nm.

På en ringresonator byggd enligt dessa parametrar utvärderade forskarna kvalitetsfaktorn Q genom att mäta resonantstoppbredden och skannade resonatorns optiska frekvens. Resultaten visar att kvalitetsfaktorn är så hög som 1,5×106 vid 390 nm våglängd (UV-område) och 1,9×106 vid 488,5 nm (synligt blått område) (högre kvalitetsfaktor innebär mindre ljusförlust).

Jämfört med PIC:er utformade specifikt för synligt ljus eller telekommunikationsvåglängder, kan UV PIC:er ha en fördel inom kommunikationsområdet på grund av sin bredare bandbredd eller mindre lätt att absorbera under vissa förhållanden, till exempel under vatten. Mer anmärkningsvärt är att atomskiktsavsättningstekniken för produktion av aluminiumoxid är kompatibel med CMOS-teknik, vilket skapar möjligheten för sammansmältning av CMOS och amorf aluminiumoxidfotonik.

För närvarande arbetar forskare med att utveckla aluminiumoxidbaserade ringresonatorer som kan ställas in på flera våglängder. Detta kommer att hjälpa till att uppnå exakt våglängdskontroll eller att utveckla modulatorer genom att använda två interagerande resonatorer. Dessutom planerar de att utveckla en UV-ljuskälla integrerad på PIC för att bygga ett komplett Pic-baserat UV-system.

Extremt ultraviolett ljus (EUV) är en subregion i det ultravioletta (UV) området som har en kortare våglängd än andra UV-subregioner och används ofta för tekniska tillämpningar med hög precision. För att förbättra Kinas forskningsnivå inom områdena vetenskap, teknik och tillämpning relaterad till extrem ultraviolett ljuskälla, och främja den omfattande utvecklingen av extrem ultraviolett ljuskälla för världens vetenskapliga gräns, nationella strategiska behov, det huvudsakliga slagfältet för nationell ekonomi, information och artificiell intelligens, planerar China Laser att publicera ämnet "April Source och Ultraviolet" (Application theLight Source) 2024. Fokusera på den senaste utvecklingen och utvecklingstrenden av extrem ultraviolett ljuskälla i forskning och teknisk tillämpning, och främja utbildning av sammansatta högkvalitativa talanger och konstruktion av relaterade discipliner.