SPIM-WG'er:Højtydende bølgelederenheder til næste generation af fotoniske chips

Et af de vigtigste elementer i fotoniske chips eller kvantechips er den optiske bølgeleder. På grund af begrænsninger i eksisterende fremstillingsmetoder er det imidlertid vanskeligt effektivt at producere bølgeledere med høj præcisionskontrol af 3D-tværsnittets form og størrelse. For at løse dette udfordrende problem har forskere ved University of Oxford udviklet en ny bølgelederfremstillingsteknik, der hurtigt kan producere bølgeledere i en chip med præcist kontrollerede 3D-tværsnit, som også udviser skiftende adfærd langs bølgelederen. Bølgelederne er blevet demonstreret med meget lave tab og viser meget lovende for fotoniske eller kvantechips.

Baggrund

Med fremskridt i halvlederindustrien nærmer det traditionelle elektroniske integrerede kredsløb sin grænse i båndbredde og energiforbrug. Sammenlignet med elektroniske integrerede kredsløb udviser fotoniske integrerede kredsløb lavere transmissionstab, bredere båndbredde og mindre tidsforsinkelse. På den anden side indikerer den hurtige udvikling af kvanteteknologi i de seneste årtier, at kvantechips lover at erstatte nogle aspekter af traditionelle elektroniske integrerede kredsløb i fremtiden.

Det er velkendt, at den grundlæggende enhed i elektronisk integreret kredsløb er halvlederdiode. Ligesom elektroniske integrerede kredsløb har optoelektroniske chips eller kvantechips deres egne grundlæggende komponenter. Blandt disse grundlæggende komponenter er den optiske bølgeleder i mikronskala et af de vigtigste elementer. Baseret på evanescent bølgekobling kan tilstødende optiske bølgeledere realisere programmerbar signalbehandling, hvilket giver uundværlige funktioner til de kvante/fotoniske chips.

På grund af tidligere begrænsninger inden for fremstillingsteknologi er optiske bølgeledere i mikronstørrelse blevet begrænset til todimensionelle kvadratiske, elliptiske og cirkulære tværsnit. På nuværende tidspunkt er der begrænsede teknologimuligheder, der effektivt kan producere bølgeledere med både lavt tab og præcis 3D-tværsnitsvariation. Dette pålægger mange begrænsninger for funktionaliteten og effektiviteten af ​​fotoniske og kvantechips.

SPIM-WGs-teknologien

I et nyt papir offentliggjort i Light Science &Application , Dr. Bangshan Sun, Prof. Martin J. Booth og et team af videnskabsmænd ved University of Oxford, samarbejdede med Prof. Alina Karabchevsky fra Israel, Prof. Alexander Jesacher fra Østrig og Prof. Ian A. Walmsley fra Imperial College London , har udviklet en ny teknologi ved navn "SPIM-WGs." Med denne teknik kan optiske bølgeledere med kontinuerligt variable 3D-tværsnit fremstilles effektivt i en chip. Optiske bølgeledere udviklet baseret på denne teknologi har ikke kun overlegen ydeevne sammenlignet med traditionelle bølgeledere, men bringer også flere nye funktioner, som baner vejen for fremtidige fotoniske og kvantechips.

Baseret på adaptiv optik er teknologiens største højdepunkt, at den effektivt kan producere lavtabsbølgeledere med variable tværsnit, såsom cirkulære, firkantede, ringformede eller mange andre komplicerede former. Præcisionen i at styre tværsnittet i hver akse kan gå ned til hundredvis af nanometer. For en enkelt bølgeleder kan tværsnittets form variere langs selve bølgelederen. For eksempel kan de være snoede, varierende fra firkantet til cirkulært, eller fra cirkulært til ringformet, og så videre.

Det er værd at nævne, at bølgelederen udviser meget lave transmissionstab under den præcise ændring af morfologi. Baseret på glassubstratet har bølgelederen et transmissionstab på omkring -0,14 dB/cm, hvilket betyder, at kun omkring 3 % af den optiske effekt går tabt, når der sendes 1 cm gennem chippen. Eksperimentelle resultater viser, at det ekstra transmissionstab forårsaget af tværsnitsvariation er næsten ubetydeligt.

Omkostningerne ved at lave bølgelederne er også bemærkelsesværdige. For eksempel tager traditionel silica-på-silicium (SoS) metode omkring en måned eller mere at producere bølgeledere fra forberedelse. Til sammenligning kan SPIM-WG'er produceres i løbet af få minutter, hvilket giver en anden grad af fleksibilitet i prototyping og fremstilling.

Anvendelsespotentiale

Den vigtigste anvendelse af SPIM-WG'er er konvertering af optisk tilstand. I teorien kan SPIM-WG'er give mulighederne for optisk moduskonvertering for enhver vilkårlig form, kun begrænset af den diffraktionsbegrænsede størrelse af det fremstillende laserfokus. SPIM-WG'er kan nemt konvertere mellem Gaussiske lystilstande, elliptiske lystilstande, dobbeltlobe TE01 og ring TE01 tilstande. Disse tilstande optræder i en lang række optoelektroniske chips.

En af de vigtigste applikationer i tilstandskonvertering er mellem pp-KTP-bølgeledere og single-mode-fiber, der bygger bro mellem kvantelyskilder og kvantechips. På nuværende tidspunkt skal pp-KTP-bølgelederen i kvantelyskilden være direkte forbundet med en enkelt-mode fiber, som mister omkring 25-30% af lysintensiteten. Hvis moduskonverteringsbølgelederen lavet af SPIM-WG'er bruges til brodannelsen, forventes det, at lysintensitetstabet kan reduceres til under 10%. Dette ville i høj grad forbedre effektiviteten af ​​de fleste kvantechips.

Derudover kan SPIM-WG'er, baseret på funktionaliteten af ​​modekonvertering, forbindes til en single-mode fiber med koblingseffektivitet op til 95%. Dette gør det muligt for SPIM-WGs enheder nemt at blive kombineret med de fleste eksisterende fotoniske enheder.

Det har vist sig, at bølgeledere med rektangulære tværsnit snoet i 90 grader endda kan bruges til at kontrollere lysets polarisering. Dette lover også mange fotonik- og kvanteapplikationer. + Udforsk yderligere

Styring af ikke-klassiske mekaniske tilstande i en fononisk bølgelederarkitektur