Rystende lys med lyd

Piezoelektriske materialer kan konvertere elektrisk spænding til mekanisk forskydning og omvendt. De er allestedsnærværende i moderne trådløse kommunikationsnetværk, såsom i mobiltelefoner. I dag, piezoelektriske enheder, inklusive filtre, transducere og oscillatorer, bruges i milliarder af enheder til trådløs kommunikation, global positionering, navigationer, og rumapplikationer.

I en artikel offentliggjort i Natur , et samarbejde ledet af professor Tobias J. Kippenberg ved EPFL og professor Sunil A. Bhave ved Purdue University har kombineret piezoelektrisk aluminiumnitrid (AlN) teknologi – brugt i moderne mobiltelefoners radiofrekvensfiltre – med siliciumnitrid med ultralavt tab (Si) ₃ N ₄ ) integreret fotonik, demonstrerer en ny ordning for on-chip akusto-optisk modulering.

Hybridkredsløbet tillader bredbåndsaktivering på fotoniske bølgeledere med ultralav elektrisk effekt - en bedrift, der hidtil har været udfordrende. Selve kredsløbet blev fremstillet ved hjælp af CMOS-kompatible støbeprocesser, som er meget brugt til at konstruere mikroprocessorer, mikrocontrollere, hukommelseschips, og andre digitale logiske kredsløb.

Lys og lyd

For at bygge kredsløbet, forskerne brugte Si ₃ N ₄ , som har vist sig som et førende materiale til spånskala, mikroresonatorbaserede optiske frekvenskamme ("mikrokomber"). Mikrokamme bruges i en række præcisionskrævende applikationer, herunder sammenhængende kommunikation, astronomisk spektrometer kalibrering, ultrahurtig rækkevidde, støjsvag mikrobølgesyntese, optiske atomure, og senest, parallel sammenhængende LiDAR.

Forskerne fremstillede piezoelektriske AlN-aktuatorer oven på Si med ultralavt tab ₃ N ₄ fotoniske kredsløb, og påførte et spændingssignal på dem. Signalet inducerede bulk akustiske bølger elektromekanisk, som kan modulere den genererede mikrokam i Si ₃ N ₄ kredsløb. Kort sagt, lyd ryster lys.

Et nøgletræk ved denne ordning er, at den opretholder det ultralave tab af Si ₃ N ₄ kredsløb. "Denne præstation repræsenterer en ny milepæl for mikrokamteknologien, bygge bro over integreret fotonik, mikroelektromekanisk systemteknik og ikke-lineær optik, " siger Junqiu Liu, der leder fremstillingen af ​​Si ₃ N ₄ fotonikchips på EPFL's Center of MicroNanoTechnology (CMi). "Ved at udnytte piezoelektriske og bulk akusto-optiske interaktioner, det muliggør on-chip optisk modulation med hidtil uset hastighed og ultralavt strømforbrug."

To nye ansøgninger

Ved at bruge det nye hybridsystem, forskerne demonstrerede to uafhængige anvendelser:For det første, optimering af en mikrokam-baseret massivt parallel sammenhængende LiDAR, baseret på deres tidligere arbejde også udgivet i Natur for nylig. Denne tilgang kunne give en rute til chip-baserede LiDAR-motorer drevet af CMOS mikroelektroniske kredsløb.

Sekund, de byggede magnetfrie optiske isolatorer ved spatio-temporal modulering af en Si ₃ N ₄ mikroresonator, som blev offentliggjort for nylig i Naturkommunikation . "Den tætte lodrette indeslutning af bulk akustiske bølger forhindrer krydstale og giver mulighed for tæt placering af aktuatorerne, hvilket er udfordrende at opnå i p-i-n siliciummodulatorer, " siger Hao Tian, der fremstillede de piezoelektriske aktuatorer i Scifres renrum i Purdues Birck Nanotechnology Center.

Den nye teknologi kan give impulser til mikrokamapplikationer i strømkritiske systemer, f.eks. i rummet, datacentre og bærbare atomure, eller i ekstreme miljøer såsom kryogene temperaturer. "Indtil uforudsete ansøgninger vil følge op på tværs af flere samfund, " siger professor Kippenberg. "Det er blevet vist igen og igen, at hybridsystemer kan opnå fordele og funktionalitet ud over dem, der opnås med individuelle bestanddele."

"Jeg læste for nylig en Scientific American artikel, der virkelig gav genklang hos mig, " tilføjer professor Bhave. "Det hedder, "Hvorfor videnskab er bedre, når den er multinational." Vores resultater ville ikke være mulige uden dette tværfaglige og interkontinentale samarbejde."