Università di Yale: la perdita di luce ultravioletta dei risonatori fotonici su scala di chip ha raggiunto un nuovo minimo

Dato il ruolo chiave della fotonica nella comunicazione delle informazioni e nell’informatica quantistica, la ricerca nel campo della luce ultravioletta è particolarmente importante. Un gruppo di ricerca della Yale University ha costruito con successo un risonatore fotonico basato su chip che opera nello spettro della luce ultravioletta (UV) e visibile e mostra una perdita di luce UV bassa senza precedenti. Questo nuovo risonatore fornisce una solida base per espandere le dimensioni, la complessità e la fedeltà del progetto dei circuiti integrati fotonici ultravioletti (PIC) e si prevede che favorirà l'applicazione di dispositivi basati su microchip nel rilevamento spettrale, nelle comunicazioni subacquee e nell'elaborazione delle informazioni quantistiche.

Il risonatore ad anello su scala di chip, mostrato nella Figura 1, funziona nello spettro da ultravioletto a visibile e raggiunge una perdita di luce UV record bassa. Il risonatore (piccolo cerchio al centro) è mostrato in luce blu.

Chengxing He, membro del gruppo di ricerca dell'Università di Yale, ha dichiarato: "Rispetto alla fotonica delle telecomunicazioni relativamente matura e alla fotonica visibile, la ricerca sulla fotonica ultravioletta è ancora relativamente piccola. Tuttavia, considerando la necessità di utilizzare lunghezze d'onda ultraviolette nel calcolo quantistico basato su atomi/ioni per manipolare determinate transizioni di stato atomico e attivare specifiche molecole fluorescenti per scopi biochimici". rilevamento, l'esplorazione in quest'area è estremamente preziosa. La nostra ricerca pone una base importante per la costruzione di circuiti fotonici a lunghezza d’onda ultravioletta”.

Nell'articolo, i ricercatori descrivono un micro-risonatore ottico a base di allumina e come sono riusciti a ottenere perdite basse senza precedenti alle lunghezze d'onda ultraviolette combinando i materiali giusti con progettazione e fabbricazione ottimizzate.

Hong Tang, leader del gruppo di ricerca, ha dichiarato: "La nostra ricerca mostra che i circuiti integrati fotonici ultravioletti (PIC UV) hanno ora raggiunto un punto di svolta in cui la perdita di luce non è più grave nello spettro ultravioletto che nella regione visibile. Ciò significa che tutte le strutture PIC avanzate precedentemente sviluppate per le lunghezze d'onda visibili e di telecomunicazione, come i pettini di frequenza e le tecnologie di bloccaggio dell'iniezione, possono ora essere estese all'ultravioletto. lunghezze d'onda."

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

Microrisonatore in allumina: riduce la perdita di luce

immagine

Il microrisonatore è costruito da un film di allumina di alta qualità preparato dai coautori di Integris Carlo Waldfried e Jun-Fei Zheng utilizzando la tecnologia avanzata di deposizione di strati atomici (ALD). L'allumina ha un ampio intervallo di banda (circa 8 eV), che la rende trasparente ai fotoni ultravioletti di energia inferiore (circa 4 eV), quindi il materiale non assorbe la luce ultravioletta.

Il record precedente è stato ottenuto utilizzando nitruro di alluminio con una banda proibita di circa 6 eV. A differenza del nitruro di alluminio monocristallino, gli strati atomici amorfi depositati con allumina presentano meno difetti, sono più facili da produrre e hanno una minore perdita di luce.

Durante la fabbricazione del microrisonatore, i ricercatori hanno inciso l'ossido di alluminio per formare una struttura comunemente denominata "guida d'onda a coste". In questa guida d'onda nervata, una stretta striscia nella parte superiore forma una struttura che limita la propagazione della luce. Più profonda è la nervatura della guida d'onda, più forte è il vincolo di luce, ma significa anche che aumenta la perdita di diffusione. Per ottimizzare la struttura, hanno utilizzato tecniche di simulazione per determinare la profondità di incisione ottimale, con l'obiettivo di ottenere il confinamento ideale del fascio riducendo al minimo le perdite di diffusione.

Risuonatori ad anello: valutazione delle prestazioni e prospettive di integrazione

immagine

Il team di ricerca ha applicato l'esperienza acquisita dallo studio delle guide d'onda alla fabbricazione di un risonatore ad anello con un raggio di 400 μm. Hanno osservato che su pellicole di ossido di alluminio con uno spessore di 400 nm, quando la profondità di incisione raggiunge più di 80 nm, la perdita di radiazione diminuisce a meno di 0,06 dB/cm a 488,5 nm e 0,001 dB/cm a 390 nm.

Su un risonatore ad anello costruito secondo questi parametri, i ricercatori hanno valutato il fattore di qualità Q misurando l’ampiezza del picco risonante e scansionando la frequenza ottica del risonatore. I risultati mostrano che il fattore di qualità è pari a 1,5×106 a 390 nm di lunghezza d'onda (gamma UV) e 1,9×106 a 488,5 nm (gamma del blu visibile) (un fattore di qualità più elevato significa minore perdita di luce).

Rispetto ai PIC progettati specificatamente per la luce visibile o le lunghezze d'onda delle telecomunicazioni, i PIC UV possono avere un vantaggio nel campo delle comunicazioni grazie alla loro larghezza di banda più ampia o al fatto che vengono assorbiti meno facilmente in determinate condizioni, come sott'acqua. Più in particolare, la tecnologia di deposizione di strati atomici per la produzione di allumina è compatibile con la tecnologia CMOS, che crea la possibilità della fusione della fotonica CMOS e dell'allumina amorfa.

Attualmente, i ricercatori stanno lavorando allo sviluppo di risonatori ad anello a base di allumina che possono essere sintonizzati su più lunghezze d'onda. Ciò aiuterà a ottenere un controllo preciso della lunghezza d'onda o a sviluppare modulatori utilizzando due risonatori interagenti. Inoltre, intendono sviluppare una sorgente di luce UV integrata nel PIC per costruire un sistema UV completo basato su Pic.

La luce ultravioletta estrema (EUV) è una sottoregione nella gamma degli ultravioletti (UV) che ha una lunghezza d'onda più corta rispetto ad altre sottoregioni UV e viene spesso utilizzata per applicazioni tecniche di alta precisione. Al fine di migliorare il livello di ricerca della Cina nei campi della scienza, della tecnologia e delle applicazioni relative alla sorgente di luce ultravioletta estrema e promuovere lo sviluppo completo della sorgente di luce ultravioletta estrema per la frontiera scientifica mondiale, le esigenze strategiche nazionali, il principale campo di battaglia dell'economia nazionale, dell'informazione e dell'intelligenza artificiale, China Laser prevede di pubblicare l'argomento "Sorgente e applicazione di luce ultravioletta estrema" nel 7° numero (aprile) del 2024. Focus sulle ultime novità progresso e tendenza allo sviluppo della sorgente di luce ultravioletta estrema nella ricerca e nell'applicazione tecnica e promuovere la formazione di talenti compositi di alta qualità e la costruzione di discipline correlate.