Onderzoekers hebben een siliciumcarbide (SiC) fotonische geïntegreerde chip gemaakt die thermisch kan worden afgestemd door een elektrisch signaal toe te passen. De aanpak zou ooit kunnen worden gebruikt om een ​​groot aantal herconfigureerbare apparaten te creëren, zoals faseverschuivers en afstembare optische koppelaars die nodig zijn voor netwerktoepassingen en kwantuminformatieverwerking.

Hoewel de meeste optische en computerchips van silicium zijn gemaakt, er is toenemende belangstelling voor SiC omdat het betere thermische, elektrische en mechanische eigenschappen dan silicium, terwijl het ook biocompatibel is en werkt bij golflengten van zichtbaar tot infrarood.

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Letters , onderzoekers onder leiding van Ali Adibi van het Georgia Institute of Technology beschrijven hoe ze een microverwarmer en een optisch apparaat, een microringresonator genaamd, op een SiC-chip hebben geïntegreerd. De prestatie vertegenwoordigt de eerste volledig geïntegreerde en thermisch afstembare SiC optische schakelaar die werkt op nabij-infrarode golflengten.

"Apparaten zoals degene die we in dit werk demonstreren, kunnen worden gebruikt als bouwstenen voor de volgende generatie kwantuminformatieverwerkingsapparaten en om biocompatibele sensoren en sondes te maken, ", zei de eerste auteur van de krant, Xi Wu.

SiC is bijzonder aantrekkelijk voor kwantumcomputer- en communicatietoepassingen omdat het defecten heeft die optisch kunnen worden gecontroleerd en gemanipuleerd als kwantumbits, of qubits. Quantum computing en communicatie belooft aanzienlijk sneller te zijn dan traditionele computing bij het oplossen van bepaalde problemen, omdat gegevens worden gecodeerd in qubits die zich in elke combinatie van twee toestanden tegelijk kunnen bevinden, waardoor veel processen tegelijkertijd kunnen worden uitgevoerd.

Productie op wafelniveau

Het nieuwe werk bouwt voort op de eerdere ontwikkeling door de onderzoekers van een platform genaamd kristallijn SiC-op-isolator dat een deel van de kwetsbaarheid en andere nadelen van eerder gerapporteerde SiC-platforms overwint en tegelijkertijd een gemakkelijke en betrouwbare route biedt voor integratie met elektronische apparaten.

"Het SiC-op-isolatorplatform dat onze groep heeft ontwikkeld, is vergelijkbaar met de silicium-op-isolatortechnologie die veel wordt gebruikt in de halfgeleiderindustrie voor een verscheidenheid aan toepassingen, " zei Tianren Fan, lid van het onderzoeksteam. "Het maakt fabricage op waferniveau van SiC-apparaten mogelijk, de weg vrijmaken voor de commercialisering van geïntegreerde fotonische kwantuminformatieverwerkingsoplossingen op basis van SiC, " zei Ali A. Eftekhar, lid van het onderzoeksteam.

Om de unieke mogelijkheden van het nieuwe platform volledig te benutten, moest de mogelijkheid worden ontwikkeld om de optische eigenschappen ervan af te stemmen, zodat een op een enkele chip gebaseerde structuur kan worden gebruikt om verschillende functies te bieden. De onderzoekers bereikten dit door gebruik te maken van het thermo-optische effect waarbij het veranderen van de temperatuur van een materiaal de optische eigenschappen wijzigt, zoals de brekingsindex.

Ze begonnen met het maken van kleine ringvormige optische holtes, of microringresonatoren, met behulp van de kristallijne SiC-op-isolatortechnologie. In elke resonator, licht op bepaalde golflengten, zijn resonantiegolflengten genoemd, reizen rond de ring zal kracht opbouwen door constructieve interferentie. De resonator kan dan worden gebruikt om de amplitude en fase van het licht in een daaraan gekoppelde golfgeleider te regelen. Om een ​​afstembare resonator met een hoge mate van controle te creëren, de onderzoekers fabriceerden elektrische kachels bovenop de microringen. Wanneer een elektrische stroom wordt toegepast op de geïntegreerde microverwarmer, het verhoogt plaatselijk de temperatuur van de SiC-microring en verandert zo de resonantiegolflengten dankzij het thermo-optische effect.

Het geïntegreerde apparaat testen

De onderzoekers testten de prestaties van de gefabriceerde geïntegreerde microringresonatoren en microverwarmers door verschillende niveaus van elektrisch vermogen toe te passen en vervolgens de optische transmissie te meten van de golfgeleider die aan de microringresonator is gekoppeld. Hun resultaten toonden aan dat het mogelijk is om hoogwaardige resonatoren te bereiken met een laag vermogen thermische afstembaarheid via een robuust apparaat dat kan worden vervaardigd met behulp van bestaande halfgeleidergietprocessen.

"Gecombineerd met andere unieke kenmerken van ons kristallijn SiC-op-isolatorplatform, deze hoogwaardige apparaten voldoen aan de basisvereisten om nieuwe apparaten op chipschaal mogelijk te maken die in een breed scala aan golflengten werken, " zei Ali Adibi, de teamleider. "Deze afstembaarheid op chipschaal is essentieel voor het uitvoeren van kwantumbewerkingen die nodig zijn voor kwantumcomputing en communicatie. Bovendien, vanwege de biocompatibiliteit van SiC, het zou erg nuttig kunnen zijn voor in vivo biosensing."

De onderzoekers werken nu aan het bouwen van elementen met het kristallijne SiC-op-isolatorplatform voor kwantumfotonische geïntegreerde schakelingen, inclusief on-chip pomplasers, enkele fotonbronnen en enkele fotondetectoren die kunnen worden gebruikt met de afstembare microringresonator om een ​​volledig functionele chip te creëren voor geavanceerde optische kwantumcomputers.

Dit werk is het resultaat van drie jaar uitgebreid onderzoek naar het vormen van een betrouwbaar hybride platform met aanzienlijk verbeterde SiC-materiaaleigenschappen en het gebruik ervan voor het vormen van innovatieve apparaten. Xi Wu, Tianren-fan, en Ali A. Eftekhar in de onderzoeksgroep van Ali Adibi hebben enorm bijgedragen aan dit werk. Hesam Moradinejad, een voormalig lid van de onderzoeksgroep van Adibi, heeft ook bijgedragen aan de platformontwikkeling (eerder gepubliceerd). Dit werk werd voornamelijk gefinancierd door het Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) onder subsidienummer FA9550-15-1-0342 (G. Pomrenke).