Indstillelig optisk chip baner vej for nye kvanteenheder

Forskere har skabt en siliconcarbid (SiC) fotonisk integreret chip, der kan afstemmes termisk ved at anvende et elektrisk signal. Metoden kunne en dag bruges til at oprette et stort udvalg af rekonfigurerbare enheder, såsom faseskiftere og afstembare optiske koblere, der er nødvendige til netværksapplikationer og kvanteoplysningsbehandling.

Selvom de fleste optiske chips og computerchips er lavet af silicium, der er stigende interesse for SiC, fordi det udviser bedre termisk, elektriske og mekaniske egenskaber end silicium, samtidig med at de er biokompatible og fungerer ved bølgelængder fra det synlige til infrarøde.

I tidsskriftet The Optical Society (OSA) Optik bogstaver , forskere ledet af Ali Adibi fra Georgia Institute of Technology beskriver, hvordan de integrerede en mikrovarmer og en optisk enhed kaldet en mikroresonator på en SiC -chip. Præstationen repræsenterer den første fuldt integrerede og termisk indstillelige SiC optiske switch, der fungerer ved nær-infrarøde bølgelængder.

"Enheder som den, vi demonstrerer i dette arbejde, kan bruges som byggesten til næste generations kvanteinformationsbehandlingsenheder og til at skabe biokompatible sensorer og sonder, "sagde avisens første forfatter Xi Wu.

SiC er særligt attraktivt til kvanteberegning og kommunikationsapplikationer, fordi det har defekter, der optisk kan styres og manipuleres som kvantebits, eller qubits. Quantum computing og kommunikation lover at være betydeligt hurtigere end traditionel computing til at løse visse problemer, fordi data er kodet i qubits, der kan være i enhver kombination af to tilstande på én gang, gør det muligt at udføre mange processer samtidigt.

Wafer-niveau fremstilling

Det nye arbejde bygger på forskernes tidligere udvikling af en platform kaldet krystallinsk SiC-on-isolator, der overvinder nogle af skrøbeligheden og andre ulemper ved tidligere rapporterede SiC-platforme, samtidig med at den giver en let og pålidelig rute til integration med elektroniske enheder.

"SiC-on-isolator-platformen, vores gruppe var banebrydende, ligner silicium-på-isolator-teknologien, der i vid udstrækning bruges i halvlederindustrien til en række forskellige applikationer, "sagde Tianren Fan, medlem af forskerholdet. "Det muliggør fremstilling af SiC-enheder på waferniveau, baner vejen mod kommercialisering af integrerede fotoniske kvanteinformationsbehandlingsløsninger baseret på SiC, "sagde Ali A. Eftekhar, medlem af forskerholdet.

Fuld udnyttelse af den nye platforms unikke muligheder krævede udvikling af evnen til at justere dens optiske egenskaber, så en enkelt chipbaseret struktur kan bruges til at levere forskellige funktioner. Forskerne opnåede dette ved at bruge den termo-optiske effekt, hvor ændring af et materiales temperatur ændrer dets optiske egenskaber, såsom brydningsindeks.

De begyndte med at fremstille små ringformede optiske hulrum, eller microring resonatorer, ved hjælp af den krystallinske SiC-on-isolator-teknologi. I hver resonator lys ved visse bølgelængder, kaldte dens resonansbølgelængder, rejser rundt i ringen vil opbygge styrke gennem konstruktiv interferens. Resonatoren kan derefter bruges til at styre amplituden og fasen af ​​lyset i en bølgeleder koblet til det. For at oprette en afstembar resonator med en høj grad af kontrol, forskerne fremstillede elektriske varmeapparater oven på mikroringerne. Når der tilføres en elektrisk strøm til den integrerede mikrovarmer, det øger lokalt temperaturen på SiC-mikroregningen og ændrer dermed dens resonansbølgelængder takket være den termooptiske effekt.

Test af den integrerede enhed

Forskerne testede ydeevnen for de fremstillede integrerede mikroresonatorer og mikrovarmer ved at anvende forskellige niveauer af elektrisk effekt og derefter måle den optiske transmission af bølgelederen koblet til mikroringsresonatoren. Deres resultater viste, at det er muligt at opnå resonatorer af høj kvalitet med laveffekt termisk afstemning gennem en robust enhed, der kan fremstilles ved hjælp af eksisterende halvlederstøberprocesser.

"Kombineret med andre unikke funktioner i vores krystallinske SiC-on-isolator platform, disse enheder af høj kvalitet har de grundlæggende krav for at muliggøre nye chip-skalaenheder, der fungerer i en lang række bølgelængder, sagde Ali Adibi, teamlederen. "Denne afstemning i chipskala er afgørende for at udføre kvanteoperationer, der er nødvendige for kvanteberegning og kommunikation. Desuden på grund af biokompatibiliteten af ​​SiC, det kan være meget nyttigt til in vivo biosensering. "

Forskerne arbejder nu på at bygge elementer med den krystallinske SiC-on-isolator-platform til kvantefotoniske integrerede kredsløb, herunder on-chip pumpelasere, enkeltfotonkilder og enkeltfotondetektorer, der kunne bruges sammen med den afstembare mikroresonator til at skabe en fuldt funktionel chip til avanceret optisk kvanteberegning.

Dette arbejde er resultatet af tre års omfattende forskning i at danne en pålidelig hybridplatform med betydeligt forbedrede SiC -materialegenskaber og bruge den til at danne innovative enheder. Xi Wu, Tianren Fan, og Ali A. Eftekhar i Ali Adibis forskningsgruppe bidrog enormt til dette arbejde. Hesam Moradinejad, et tidligere medlem af Adibis forskergruppe, også bidraget til platformudviklingen (offentliggjort tidligere). Dette arbejde blev primært finansieret af Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) under tilskudsnummer FA9550-15-1-0342 (G. Pomrenke).