Een van de belangrijkste elementen in fotonische chips of kwantumchips is de optische golfgeleider. Vanwege beperkingen in bestaande fabricagemethoden is het echter lastig om golfgeleiders efficiënt te produceren met hoge precisiecontrole van de vorm en grootte van de 3D-dwarsdoorsnede. Om dit uitdagende probleem op te lossen, hebben wetenschappers van de Universiteit van Oxford een nieuwe fabricagetechniek voor golfgeleiders ontwikkeld, die snel golfgeleiders kan produceren in een chip met nauwkeurig gecontroleerde 3D-dwarsdoorsneden, die ook veranderend gedrag langs de golfgeleider vertonen. De golfgeleiders zijn aangetoond met zeer lage verliezen en zijn veelbelovend voor fotonische of kwantumchips.

Achtergrond

Met de opmars van de halfgeleiderindustrie nadert de traditionele elektronische geïntegreerde schakeling zijn limiet in bandbreedte en energieverbruik. Vergeleken met elektronische geïntegreerde schakelingen vertonen fotonische geïntegreerde schakelingen een lager transmissieverlies, een grotere bandbreedte en een kleinere tijdsvertraging. Aan de andere kant geeft de snelle ontwikkeling van kwantumtechnologie in de afgelopen decennia aan dat kwantumchips beloven sommige aspecten van traditionele elektronische geïntegreerde schakelingen in de toekomst te vervangen.

Het is algemeen bekend dat de basiseenheid van elektronische geïntegreerde schakelingen een halfgeleiderdiode is. Net als elektronische geïntegreerde schakelingen hebben opto-elektronische chips of kwantumchips hun eigen basiscomponenten. Van deze basiscomponenten is de optische golfgeleider op micronschaal een van de belangrijkste elementen. Op basis van vluchtige golfkoppeling kunnen aangrenzende optische golfgeleiders programmeerbare signaalverwerking realiseren, wat onmisbare functies biedt voor de kwantum-/fotonische chips.

Vanwege eerdere beperkingen in fabricagetechnologie zijn optische golfgeleiders van microngrootte beperkt tot tweedimensionale vierkante, elliptische en cirkelvormige doorsneden. Op dit moment zijn er beperkte technologische opties die efficiënt golfgeleiders kunnen produceren met zowel weinig verlies als nauwkeurige 3D-dwarsdoorsnedevariatie. Dit legt veel beperkingen op aan de functionaliteiten en efficiëntie van fotonische en kwantumchips.

De SPIM-WGs-technologie

In een nieuw artikel gepubliceerd in Light Science &Application , Dr. Bangshan Sun, Prof. Martin J. Booth en een team van wetenschappers aan de Universiteit van Oxford, werkten samen met Prof. Alina Karabchevsky uit Israël, Prof. Alexander Jesacher uit Oostenrijk en Prof. Ian A. Walmsley van Imperial College London , hebben een nieuwe technologie ontwikkeld met de naam "SPIM-WG's". Met deze techniek kunnen optische golfgeleiders met continu variabele 3D-doorsneden efficiënt in een chip worden gefabriceerd. Optische golfgeleiders die op basis van deze technologie zijn ontwikkeld, hebben niet alleen superieure prestaties in vergelijking met traditionele golfgeleiders, maar brengen ook verschillende nieuwe functies met zich mee, die de weg vrijmaken voor toekomstige fotonische en kwantumchips.

Gebaseerd op adaptieve optica, is het grootste hoogtepunt van de technologie dat het efficiënt golfgeleiders met weinig verlies kan produceren met variabele doorsneden, zoals cirkelvormige, vierkante, ringvormige of vele andere gecompliceerde vormen. De precisie bij het regelen van de doorsnede in elke as kan oplopen tot honderden nanometers. Voor een enkele golfgeleider kan de vorm van de doorsnede langs de golfgeleider zelf variëren. Ze kunnen bijvoorbeeld gedraaid zijn, variërend van vierkant tot cirkelvormig, of van cirkelvormig tot ringvormig, enzovoort.

Het is vermeldenswaard dat de golfgeleider zeer lage transmissieverliezen vertoont tijdens de precieze verandering van morfologie. Op basis van het glassubstraat heeft de golfgeleider een transmissieverlies van ongeveer -0,14 dB/cm, wat betekent dat slechts ongeveer 3% van het optische vermogen verloren gaat bij het verzenden van 1 cm door de chip. Experimentele resultaten tonen aan dat het extra transmissieverlies veroorzaakt door variatie in doorsnede bijna verwaarloosbaar is.

De kosten van tijd om de golfgeleiders te maken zijn ook opmerkelijk. De traditionele silica-op-silicium (SoS) -methode duurt bijvoorbeeld ongeveer een maand of langer om golfgeleiders uit voorbereiding te produceren. Ter vergelijking:SPIM-WG's kunnen in enkele minuten worden geproduceerd, wat een ander niveau van flexibiliteit biedt bij het maken van prototypen en fabricage.

Toepassingspotentieel

De belangrijkste toepassing van SPIM-WG's is de conversie van optische modus. In theorie kunnen SPIM-WG's de mogelijkheden van optische modusconversie bieden voor willekeurige vormen, alleen beperkt door de diffractiebeperkte grootte van de fabricagelaserfocus. SPIM-WG's kunnen eenvoudig converteren tussen Gaussische lichtmodi, elliptische lichtmodi, dubbele lob TE01 en ring TE01-modi. Deze modi komen voor in een groot aantal opto-elektronische chips.

Een van de belangrijkste toepassingen bij modusconversie is tussen pp-KTP-golfgeleiders en single-mode-vezel, waarmee kwantumlichtbronnen en kwantumchips worden overbrugd. Op dit moment moet de pp-KTP-golfgeleider in een kwantumlichtbron rechtstreeks worden aangesloten op een single-mode vezel, die ongeveer 25-30% van de lichtintensiteit verliest. Als de modusomzettingsgolfgeleider gemaakt door SPIM-WG's wordt gebruikt voor de overbrugging, wordt verwacht dat het verlies aan lichtintensiteit tot onder 10% kan worden teruggebracht. Dit zou de efficiëntie van de meeste kwantumchips aanzienlijk verbeteren.

Bovendien kunnen SPIM-WG's, op basis van de functionaliteit van modusconversie, worden aangesloten op een single-mode vezel met een koppelingsefficiëntie tot 95%. Hierdoor kunnen SPIM-WGs-apparaten eenvoudig worden gecombineerd met de meeste bestaande fotonische apparaten.

Het is gebleken dat golfgeleiders met rechthoekige doorsneden die in een hoek van 90 graden zijn gedraaid, zelfs kunnen worden gebruikt om de polarisatie van licht te regelen. Dit is ook veelbelovend voor veel fotonica- en kwantumtoepassingen. + Verder verkennen

Beheersing van niet-klassieke mechanische toestanden in een fononische golfgeleiderarchitectuur