Yale University: Der UV-Lichtverlust von photonischen Resonatoren im Chip-Maßstab hat einen neuen Tiefpunkt erreicht

Angesichts der Schlüsselrolle der Photonik in der Informationskommunikation und im Quantencomputing ist die Forschung im Bereich des ultravioletten Lichts besonders wichtig. Einem Forschungsteam der Yale University ist es gelungen, einen chipbasierten photonischen Resonator zu bauen, der im ultravioletten (UV) bis sichtbaren Lichtspektrum arbeitet und einen beispiellos geringen UV-Lichtverlust aufweist. Dieser neue Resonator bietet eine solide Grundlage für die Erweiterung der Designgröße, Komplexität und Genauigkeit von ultravioletten photonischen integrierten Schaltkreisen (PIC) und soll die Anwendung mikrochipbasierter Geräte in der Spektralerfassung, Unterwasserkommunikation und Quanteninformationsverarbeitung vorantreiben.

Der in Abbildung 1 dargestellte Chip-Ringresonator arbeitet im ultravioletten bis sichtbaren Spektrum und erreicht einen rekordverdächtig niedrigen UV-Lichtverlust. Der Resonator (kleiner Kreis in der Mitte) wird in blauem Licht dargestellt.

Chengxing He, ein Mitglied des Forschungsteams an der Yale University, sagte: „Verglichen mit der relativ ausgereiften Telekommunikationsphotonik und der sichtbaren Photonik ist die Forschung zur Ultraviolettphotonik noch relativ klein. Angesichts der Notwendigkeit, ultraviolette Wellenlängen im atom-/ionenbasierten Quantencomputing zu nutzen, um bestimmte atomare Zustandsübergänge zu manipulieren und bestimmte fluoreszierende Moleküle für die biochemische Erfassung zu aktivieren, Die Erkundung dieses Gebiets ist äußerst wertvoll. Unsere Forschung legt eine wichtige Grundlage für den Aufbau photonischer Schaltkreise im ultravioletten Wellenlängenbereich.“

In der Arbeit beschreiben die Forscher einen auf Aluminiumoxid basierenden optischen Mikroresonator und wie sie durch die Kombination der richtigen Materialien mit optimiertem Design und Herstellung beispiellos niedrige Verluste bei ultravioletten Wellenlängen erreichten.

Hong Tang, Leiter des Forschungsteams, sagte: „Unsere Forschung zeigt, dass ultraviolette photonische integrierte Schaltkreise (UV-PICs) jetzt einen Wendepunkt erreicht haben, an dem der Lichtverlust im ultravioletten Spektrum nicht schwerwiegender ist als im sichtbaren Bereich. Das bedeutet, dass alle fortschrittlichen PIC-Strukturen, die zuvor für sichtbare Wellenlängen und Telekommunikationswellenlängen entwickelt wurden, wie Frequenzkämme und Injektionsverriegelungstechnologien, jetzt auf Ultraviolett ausgeweitet werden können.“ Wellenlängen.“

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

Aluminiumoxid-Mikroresonator: Reduziert den Lichtverlust

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Der Mikroresonator besteht aus einem hochwertigen Aluminiumoxidfilm, der von den Integris-Co-Autoren Carlo Waldfried und Jun-Fei Zheng mithilfe der fortschrittlichen Atomlagenabscheidungstechnologie (ALD) hergestellt wurde. Aluminiumoxid hat eine große Bandlücke (ca. 8 eV), wodurch es für ultraviolette Photonen niedrigerer Energie (ca. 4 eV) transparent ist, sodass das Material kein ultraviolettes Licht absorbiert.

Der bisherige Rekord wurde mit Aluminiumnitrid mit einer Bandlücke von etwa 6 eV erreicht. Im Gegensatz zu einkristallinem Aluminiumnitrid weisen mit Aluminiumoxid abgeschiedene amorphe Atomschichten weniger Defekte auf, sind einfacher herzustellen und weisen einen geringeren Lichtverlust auf.

Während der Herstellung des Mikroresonators ätzten die Forscher Aluminiumoxid, um eine Struktur zu bilden, die allgemein als „gerippter Wellenleiter“ bezeichnet wird. Bei diesem gerippten Wellenleiter bildet ein schmaler Streifen an der Oberseite eine Struktur, die die Lichtausbreitung begrenzt. Je tiefer die Rippe des Wellenleiters ist, desto stärker ist die Lichtbeschränkung, aber es bedeutet auch, dass der Streuverlust zunimmt. Um die Struktur zu optimieren, verwendeten sie Simulationstechniken, um die optimale Ätztiefe zu bestimmen, mit dem Ziel, die ideale Strahlbegrenzung zu erreichen und gleichzeitig Streuverluste zu minimieren.

Ringresonatoren: Leistungsbewertung und Integrationsaussichten

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Das Forschungsteam nutzte seine Erfahrungen aus der Untersuchung von Wellenleitern bei der Herstellung eines Ringresonators mit einem Radius von 400 μm. Sie beobachteten, dass auf Aluminiumoxidfilmen mit einer Dicke von 400 nm der Strahlungsverlust bei einer Ätztiefe von mehr als 80 nm auf weniger als 0,06 dB/cm bei 488,5 nm und 0,001 dB/cm bei 390 nm abnimmt.

An einem nach diesen Parametern gebauten Ringresonator bewerteten die Forscher den Qualitätsfaktor Q durch Messung der Resonanzpeakbreite und scannten die optische Frequenz des Resonators. Die Ergebnisse zeigen, dass der Qualitätsfaktor bis zu 1,5×106 bei 390 nm Wellenlänge (UV-Bereich) und 1,9×106 bei 488,5 nm (sichtbarer blauer Bereich) beträgt (höherer Qualitätsfaktor bedeutet weniger Lichtverlust).

Im Vergleich zu PICs, die speziell für sichtbares Licht oder Telekommunikationswellenlängen entwickelt wurden, können UV-PICs im Kommunikationsbereich einen Vorteil haben, da sie eine größere Bandbreite haben oder unter bestimmten Bedingungen, beispielsweise unter Wasser, weniger leicht absorbiert werden. Insbesondere ist die Atomlagenabscheidungstechnologie zur Herstellung von Aluminiumoxid mit der CMOS-Technologie kompatibel, was die Möglichkeit der Fusion von CMOS- und amorpher Aluminiumoxid-Photonik eröffnet.

Derzeit arbeiten Forscher an der Entwicklung von Ringresonatoren auf Aluminiumoxidbasis, die auf mehrere Wellenlängen abgestimmt werden können. Dies wird dazu beitragen, eine präzise Wellenlängensteuerung zu erreichen oder Modulatoren unter Verwendung zweier interagierender Resonatoren zu entwickeln. Darüber hinaus planen sie die Entwicklung einer im PIC integrierten UV-Lichtquelle, um ein vollständiges Pic-basiertes UV-System aufzubauen.

Extremes ultraviolettes Licht (EUV) ist ein Teilbereich des ultravioletten (UV) Bereichs, der eine kürzere Wellenlänge als andere UV-Teilbereiche aufweist und häufig für hochpräzise technische Anwendungen verwendet wird. Um Chinas Forschungsniveau in den Bereichen Wissenschaft, Technologie und Anwendung im Zusammenhang mit extrem ultravioletten Lichtquellen zu verbessern und die umfassende Entwicklung extrem ultravioletter Lichtquellen für die weltweite wissenschaftliche Grenze, nationale strategische Bedürfnisse, das Hauptschlachtfeld der Volkswirtschaft, Information und künstliche Intelligenz zu fördern, plant China Laser, das Thema „Extreme ultraviolette Lichtquelle und Anwendung“ in der 7. Ausgabe (April) 2024 zu veröffentlichen. Konzentrieren Sie sich auf die neuesten Fortschritte und Entwicklungen Trend zu extrem ultravioletten Lichtquellen in Forschung und technischer Anwendung und Förderung der Ausbildung hochwertiger Komposittalente und des Aufbaus verwandter Disziplinen.