Forskare har skapat ett kiselkarbid (SiC) fotoniskt integrerat chip som kan ställas in termiskt genom att applicera en elektrisk signal. Tillvägagångssättet skulle en dag kunna användas för att skapa ett stort utbud av omkonfigurerbara enheter såsom fasskiftare och inställbara optiska kopplare som behövs för nätverkstillämpningar och kvantinformationsbehandling.

Även om de flesta optiska och datorchips är gjorda av kisel, det finns ett ökande intresse för SiC eftersom det uppvisar bättre värme, elektriska och mekaniska egenskaper än kisel samtidigt som de är biokompatibla och fungerar vid våglängder från det synliga till infrarött.

I tidskriften The Optical Society (OSA). Optik bokstäver , forskare under ledning av Ali Adibi från Georgia Institute of Technology beskriver hur de integrerade en mikrovärmare och en optisk enhet som kallas mikroringresonator på ett SiC-chip. Prestationen representerar den första helt integrerade och termiskt avstämbara optiska SiC-omkopplaren som arbetar vid nära-infraröda våglängder.

"Enheter som den vi visar i detta arbete kan användas som byggstenar för nästa generations kvantinformationsbehandlingsenheter och för att skapa biokompatibla sensorer och sonder, " sa tidningens första författare Xi Wu.

SiC är särskilt attraktivt för kvantberäkningar och kommunikationstillämpningar eftersom det har defekter som kan styras optiskt och manipuleras som kvantbitar, eller qubits. Kvantberäkning och kommunikation lovar att vara betydligt snabbare än traditionell datoranvändning när det gäller att lösa vissa problem eftersom data är kodad i qubits som kan vara i valfri kombination av två tillstånd samtidigt, gör att många processer kan utföras samtidigt.

Tillverkning på wafernivå

Det nya arbetet bygger på forskarnas tidigare utveckling av en plattform som kallas kristallin SiC-på-isolator som övervinner några av bräckligheten och andra nackdelar med tidigare rapporterade SiC-plattformar samtidigt som den ger en enkel och pålitlig väg för integration med elektroniska enheter.

"SiC-på-isolatorplattformen som vår grupp var pionjär med liknar den kisel-på-isolator-teknologi som används allmänt inom halvledarindustrin för en mängd olika applikationer, sa Tianren Fan, medlem av forskargruppen. "Det möjliggör tillverkning på wafer-nivå av SiC-enheter, banar väg för kommersialisering av integrerade fotoniska kvantinformationslösningar baserade på SiC, " sa Ali A. Eftekhar, medlem av forskargruppen.

Att fullt ut utnyttja den nya plattformens unika kapacitet krävde utveckling av förmågan att justera dess optiska egenskaper så att en enda chipbaserad struktur kan användas för att tillhandahålla olika funktioner. Forskarna åstadkom detta genom att använda den termoptiska effekten där förändring av ett material temperatur ändrar dess optiska egenskaper, såsom brytningsindex.

De började med att tillverka små ringformade optiska kaviteter, eller mikroringresonatorer, använder den kristallina SiC-på-isolatortekniken. I varje resonator, ljus vid vissa våglängder, kallade dess resonansvåglängder, att resa runt ringen kommer att bygga upp styrka genom konstruktiv interferens. Resonatorn kan sedan användas för att styra ljusets amplitud och fas i en vågledare kopplad till den. För att skapa en avstämbar resonator med en hög grad av kontroll, forskarna tillverkade elektriska värmare ovanpå mikroringarna. När en elektrisk ström appliceras på den integrerade mikrovärmaren, den ökar lokalt temperaturen på SiC-mikroringen och ändrar därmed dess resonansvåglängder tack vare den termooptiska effekten.

Testar den integrerade enheten

Forskarna testade prestandan hos de tillverkade integrerade mikroringsresonatorerna och mikrovärmarna genom att applicera olika nivåer av elektrisk effekt och sedan mäta den optiska transmissionen av vågledaren kopplad till mikroringsresonatorn. Deras resultat visade att det är möjligt att uppnå högkvalitativa resonatorer med låg effekt termisk avstämning genom en robust enhet som kan tillverkas med hjälp av befintliga halvledargjuteriprocesser.

"Kombinerat med andra unika egenskaper hos vår kristallina SiC-på-isolatorplattform, dessa högkvalitativa enheter har de grundläggande kraven för att möjliggöra nya chip-skala enheter som fungerar i ett brett spektrum av våglängder, sa Ali Adibi, lagledaren. "Denna chip-skala avstämning är avgörande för att utföra kvantoperationer som är nödvändiga för kvantberäkning och kommunikation. Dessutom, på grund av biokompatibiliteten hos SiC, det kan vara mycket användbart för biosensing in vivo."

Forskarna arbetar nu med att bygga element med den kristallina SiC-på-isolatorplattformen för kvantfotoniska integrerade kretsar, inklusive on-chip pumplasrar, singelfotonkällor och singelfotondetektorer som skulle kunna användas med den avstämbara mikroringresonatorn för att skapa ett fullt fungerande chip för avancerad optisk kvantberäkning.

Detta arbete är resultatet av tre års omfattande forskning för att skapa en pålitlig hybridplattform med avsevärt förbättrade SiC-materialegenskaper och använda den för att forma innovativa enheter. Xi Wu, Tianren Fan, och Ali A. Eftekhar i Ali Adibis forskargrupp bidrog oerhört mycket till detta arbete. Hesam Moradinejad, en tidigare medlem av Adibis forskargrupp, bidrog också till plattformsutvecklingen (publicerad tidigare). Detta arbete finansierades i första hand av Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) under anslagsnummer FA9550-15-1-0342 (G. Pomrenke).