Université de Yale : la perte de lumière ultraviolette des résonateurs photoniques à l'échelle d'une puce a atteint un nouveau plus bas

Compte tenu du rôle clé de la photonique dans la communication de l’information et dans l’informatique quantique, la recherche dans le domaine de la lumière ultraviolette est particulièrement importante. Une équipe de recherche de l'Université de Yale a réussi à construire un résonateur photonique sur puce qui fonctionne dans le spectre de la lumière ultraviolette (UV) à la lumière visible et présente une faible perte de lumière UV sans précédent. Ce nouveau résonateur constitue une base solide pour étendre la taille, la complexité et la fidélité de conception des circuits intégrés photoniques ultraviolets (PIC), et devrait faire progresser l'application de dispositifs basés sur des micropuces dans la détection spectrale, les communications sous-marines et le traitement de l'information quantique.

Le résonateur annulaire à l'échelle d'une puce, illustré à la figure 1, fonctionne dans le spectre ultraviolet au visible et atteint une faible perte de lumière UV record. Le résonateur (petit cercle au milieu) est représenté en lumière bleue.

Chengxing He, membre de l'équipe de recherche de l'Université de Yale, a déclaré : « Par rapport à la photonique des télécommunications et à la photonique visible relativement matures, la recherche sur la photonique ultraviolette est encore relativement petite. Cependant, compte tenu de la nécessité d'utiliser les longueurs d'onde ultraviolettes dans l'informatique quantique basée sur les atomes/ions pour manipuler certaines transitions d'état atomique et activer des molécules fluorescentes spécifiques pour la détection biochimique, l’exploration dans ce domaine est extrêmement précieuse. Notre recherche pose une base importante pour la construction de circuits photoniques de longueur d’onde ultraviolette. »

Dans cet article, les chercheurs décrivent un micro-résonateur optique à base d'alumine et comment ils ont obtenu des pertes sans précédent dans les longueurs d'onde ultraviolettes en combinant les bons matériaux avec une conception et une fabrication optimisées.

Hong Tang, chef de l'équipe de recherche, a déclaré : « Nos recherches montrent que les circuits intégrés photoniques ultraviolets (PIC UV) ont maintenant atteint un tournant où la perte de lumière n'est pas plus grave dans le spectre ultraviolet que dans la région visible. Cela signifie que toutes les structures PIC avancées précédemment développées pour les longueurs d'onde du visible et des télécommunications, telles que les peignes de fréquence et les technologies de verrouillage par injection, peuvent désormais être étendues à l'ultraviolet. longueurs d'onde."

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

Micro-résonateur d'alumine : réduit la perte de lumière

image

Le microrésonateur est construit à partir d'un film d'alumine de haute qualité préparé par les co-auteurs d'Integris, Carlo Waldfried et Jun-Fei Zheng, à l'aide de la technologie avancée de dépôt de couche atomique (ALD). L'alumine a une grande bande interdite (environ 8 eV), la rendant transparente aux photons ultraviolets de plus faible énergie (environ 4 eV), de sorte que le matériau n'absorbe pas la lumière ultraviolette.

Le record précédent avait été obtenu en utilisant du nitrure d'aluminium avec une bande interdite d'environ 6 eV. Contrairement au nitrure d'aluminium monocristallin, les couches atomiques amorphes déposées avec de l'alumine présentent moins de défauts, sont plus faciles à produire et ont une perte de lumière plus faible.

Lors de la fabrication du microrésonateur, les chercheurs ont gravé de l'oxyde d'aluminium pour former une structure communément appelée « guide d'ondes nervuré ». Dans ce guide d'ondes nervuré, une bande étroite au sommet forme une structure qui limite la propagation de la lumière. Plus la nervure du guide d’onde est profonde, plus la contrainte lumineuse est forte, mais cela signifie également que la perte par diffusion augmente. Pour optimiser la structure, ils ont utilisé des techniques de simulation pour déterminer la profondeur de gravure optimale, dans le but d'obtenir le confinement idéal du faisceau tout en minimisant les pertes par diffusion.

Résonateurs en anneau : évaluation des performances et perspectives d’intégration

image

L’équipe de recherche a appliqué l’expérience acquise lors de l’étude des guides d’ondes à la fabrication d’un résonateur en anneau d’un rayon de 400 μm. Ils ont observé que sur des films d'oxyde d'aluminium d'une épaisseur de 400 nm, lorsque la profondeur de gravure atteint plus de 80 nm, la perte de rayonnement diminue jusqu'à moins de 0,06 dB/cm à 488,5 nm et 0,001 dB/cm à 390 nm.

Sur un résonateur en anneau construit selon ces paramètres, les chercheurs ont évalué le facteur de qualité Q en mesurant la largeur du pic résonant et ont scanné la fréquence optique du résonateur. Les résultats montrent que le facteur de qualité atteint 1,5 × 106 à une longueur d'onde de 390 nm (plage UV) et 1,9 × 106 à 488,5 nm (plage bleue visible) (un facteur de qualité plus élevé signifie moins de perte de lumière).

Par rapport aux PIC conçus spécifiquement pour la lumière visible ou les longueurs d'onde des télécommunications, les PIC UV peuvent avoir un avantage dans le domaine des communications en raison de leur bande passante plus large ou du fait qu'ils sont moins facilement absorbés dans certaines conditions, comme sous l'eau. Plus particulièrement, la technologie de dépôt de couche atomique pour la production d'alumine est compatible avec la technologie CMOS, ce qui crée la possibilité de fusion du CMOS et de la photonique de l'alumine amorphe.

Actuellement, les chercheurs travaillent au développement de résonateurs en anneau à base d’alumine pouvant être accordés sur plusieurs longueurs d’onde. Cela permettra d’obtenir un contrôle précis de la longueur d’onde ou de développer des modulateurs en utilisant deux résonateurs en interaction. De plus, ils prévoient de développer une source de lumière UV intégrée au PIC pour construire un système UV complet basé sur le Pic.

La lumière ultraviolette extrême (EUV) est une sous-région de la gamme ultraviolette (UV) qui a une longueur d'onde plus courte que les autres sous-régions UV et est souvent utilisée pour des applications techniques de haute précision. Afin d'améliorer le niveau de recherche de la Chine dans les domaines de la science, de la technologie et des applications liés aux sources de lumière ultraviolette extrême, et de promouvoir le développement complet de sources de lumière ultraviolette extrême pour la frontière scientifique mondiale, les besoins stratégiques nationaux, le principal champ de bataille de l'économie nationale, de l'information et de l'intelligence artificielle, China Laser prévoit de publier le sujet « Source et application de lumière ultraviolette extrême » dans le 7e numéro (avril) 2024. Focus sur les derniers progrès et applications. tendance de développement de la source de lumière ultraviolette extrême dans la recherche et l'application technique, et promouvoir la formation de talents composites de haute qualité et la construction de disciplines connexes.