Yale University: Tabet af ultraviolet lys af fotoniske resonatorer i chipskala har nået et nyt lavpunkt

Med fotonikens nøglerolle i informationskommunikation og kvanteberegning er forskningen inden for ultraviolet lys særlig vigtig. Et forskerhold ved Yale University har med succes bygget en chip-baseret fotonisk resonator, der opererer i ultraviolet (UV) til synligt lysspektrum og udviser et hidtil uset lavt UV-lystab. Denne nye resonator giver et solidt grundlag for at udvide designstørrelsen, kompleksiteten og pålideligheden af ​​ultraviolette fotoniske integrerede kredsløb (PIC), og forventes at fremme anvendelsen af ​​mikrochip-baserede enheder inden for spektral sensing, undervandskommunikation og kvanteinformationsbehandling.

Ringresonatoren i chipskala, vist i figur 1, fungerer i det ultraviolette til synlige spektrum og opnår rekordlavt tab af UV-lys. Resonatoren (lille cirkel i midten) vises i blåt lys.

Chengxing He, et medlem af forskerteamet ved Yale University, sagde: "Sammenlignet med den relativt modne telekommunikationsfotonik og synlig fotonik er forskningen i ultraviolet fotonik stadig relativt lille. Men i betragtning af behovet for at bruge ultraviolette bølgelængder i atom/ion-baseret kvanteberegning til at manipulere visse atomare tilstandsovergange til fluorcensspecifikke overgange og aktiverede molekyler. biokemisk sansning, er udforskning i dette område ekstremt værdifuldt. Vores forskning lægger et vigtigt grundlag for konstruktionen af fotoniske kredsløb med ultraviolet bølgelængde."

I papiret beskriver forskerne en aluminiumoxidbaseret optisk mikroresonator, og hvordan de opnåede hidtil usete lave tab ved ultraviolette bølgelængder ved at kombinere de rigtige materialer med optimeret design og fremstilling.

Hong Tang, leder af forskerholdet, sagde: "Vores forskning viser, at ultraviolette fotoniske integrerede kredsløb (UV PIC'er) nu har nået et vendepunkt, hvor lystab ikke er mere alvorligt i det ultraviolette spektrum end i det synlige område. Det betyder, at alle avancerede PIC-strukturer, der tidligere er udviklet til synlige bølgelængder og telekommunikationsbølgelængder, som f.eks. ultraviolette bølgelængder."

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

Aluminiumoxid mikroresonator: reducere lystab

billede

Mikroresonatoren er konstrueret af en højkvalitets aluminiumoxidfilm fremstillet af Integris medforfattere Carlo Waldfried og Jun-Fei Zheng ved hjælp af avanceret atomlagaflejringsteknologi (ALD). Aluminiumoxid har et stort båndgab (ca. 8 eV), hvilket gør det gennemsigtigt for ultraviolette fotoner med lavere energi (ca. 4 eV), så materialet absorberer ikke ultraviolet lys.

Den tidligere rekord blev opnået ved brug af aluminiumnitrid med et båndgab på omkring 6 eV. I modsætning til enkeltkrystal aluminiumnitrid har amorfe atomlag aflejret med aluminium færre defekter, er lettere at producere og har lavere lystab.

Under fremstillingen af ​​mikroresonatoren ætsede forskerne aluminiumoxid for at danne en struktur, der almindeligvis omtales som en "ribbet bølgeleder". I denne ribbede bølgeleder danner en smal strimmel i toppen en struktur, der begrænser lysets udbredelse. Jo dybere ribben på bølgelederen er, jo stærkere lysbegrænsning, men det betyder også, at spredningstabet øges. For at optimere strukturen brugte de simuleringsteknikker til at bestemme den optimale ætsningsdybde med det formål at opnå den ideelle stråleindeslutning og samtidig minimere spredningstab.

Ringresonatorer: Ydeevneevaluering og integrationsperspektiver

billede

Forskerholdet anvendte de erfaringer, de fik fra at studere bølgeledere, til at fremstille en ringresonator med en radius på 400 μm. De observerede, at på aluminiumoxidfilm med en tykkelse på 400 nm, når ætsningsdybden når mere end 80 nm, falder strålingstabet til mindre end 0,06 dB/cm ved 488,5 nm og 0,001 dB/cm ved 390 nm.

På en ringresonator bygget i henhold til disse parametre evaluerede forskerne kvalitetsfaktoren Q ved at måle resonansspidsbredden og scannede resonatorens optiske frekvens. Resultaterne viser, at kvalitetsfaktoren er så høj som 1,5×106 ved 390 nm bølgelængde (UV-område) og 1,9×106 ved 488,5 nm (synligt blåt område) (højere kvalitetsfaktor betyder mindre lystab).

Sammenlignet med PIC'er, der er designet specifikt til synligt lys eller telekommunikationsbølgelængder, kan UV PIC'er have en fordel på kommunikationsområdet på grund af deres bredere båndbredde eller mindre let at absorbere under visse forhold, såsom under vand. Mere bemærkelsesværdigt er atomlagsdepositionsteknologien til fremstilling af aluminiumoxid kompatibel med CMOS-teknologi, hvilket skaber muligheden for sammensmeltning af CMOS og amorf aluminiumoxidfotonik.

I øjeblikket arbejder forskere på at udvikle aluminiumoxid-baserede ringresonatorer, der kan indstilles til flere bølgelængder. Dette vil hjælpe med at opnå præcis bølgelængdekontrol eller til at udvikle modulatorer ved at bruge to interagerende resonatorer. Derudover planlægger de at udvikle en UV-lyskilde integreret på PIC'en for at bygge et komplet Pic-baseret UV-system.

Ekstremt ultraviolet lys (EUV) er en underregion i det ultraviolette (UV) område, der har en kortere bølgelængde end andre UV-underregioner og bruges ofte til højpræcisions tekniske applikationer. For at forbedre Kinas forskningsniveau inden for videnskab, teknologi og anvendelse relateret til ekstrem ultraviolet lyskilde og fremme den omfattende udvikling af ekstrem ultraviolet lyskilde til verdens videnskabelige grænse, nationale strategiske behov, nationaløkonomiens vigtigste slagmark, information og kunstig intelligens, planlægger China Laser at udgive emnet "Light Source" (April 7 og Ultraviolet-udgaven) af 2024. Fokus på det seneste fremskridt og udviklingstendens af ekstrem ultraviolet lyskilde i forskning og teknisk anvendelse, og fremme træning af sammensatte højkvalitetstalenter og opbygning af relaterede discipliner.