Integrerade fotonchips av kiselnitrid med ställdon av aluminiumnitrid. Kredit:Jijun He, Junqiu Liu (EPFL)
Piezoelektriska material kan omvandla elektrisk spänning till mekanisk förskjutning och vice versa. De finns överallt i moderna trådlösa kommunikationsnätverk som i mobiltelefoner. I dag, piezoelektriska enheter, inklusive filter, givare och oscillatorer, används i miljarder enheter för trådlös kommunikation, global positionering, navigering, och rymdapplikationer.
I en artikel publicerad i Natur , ett samarbete ledd av professor Tobias J. Kippenberg vid EPFL och professor Sunil A. Bhave vid Purdue University har kombinerat piezoelektrisk aluminiumnitrid (AlN)-teknik – som används i moderna mobiltelefoners radiofrekvensfilter – med ultralågförlust kiselnitrid (Si) 3 N 4 ) integrerad fotonik, demonstrerar ett nytt schema för on-chip akusto-optisk modulering.
Hybridkretsen tillåter bredbandsaktivering på fotoniska vågledare med ultralåg elektrisk effekt – en bedrift som hittills har varit utmanande. Själva kretsen tillverkades med CMOS-kompatibla gjuteriprocesser, som används i stor utsträckning för att konstruera mikroprocessorer, mikrokontroller, minneschips, och andra digitala logiska kretsar.
Ljus och ljud
För att bygga kretsen, forskarna använde Si 3 N 4 , som har vuxit fram som ett ledande material för spånskala, mikroresonatorbaserade optiska frekvenskammar ("microcombs"). Mikrokammar används i en rad precisionskrävande tillämpningar, inklusive sammanhängande kommunikation, astronomisk spektrometerkalibrering, ultrasnabb avstånd, mikrovågssyntes med låg brus, optiska atomur, och senast, parallellt sammanhängande LiDAR.
Forskarna tillverkade piezoelektriska AlN-ställdon ovanpå Si med ultralåg förlust 3 N 4 fotoniska kretsar, och applicerade en spänningssignal på dem. Signalen inducerade bulk akustiska vågor elektromekaniskt, som kan modulera den genererade mikrokammen i Si 3 N 4 kretsar. Kortfattat, ljud skakar ljus.
En nyckelfunktion i detta schema är att det upprätthåller den ultralåga förlusten av Si 3 N 4 kretsar. "Denna prestation representerar en ny milstolpe för mikrokamteknologin, överbrygga integrerad fotonik, mikroelektromekanisk systemteknik och olinjär optik, " säger Junqiu Liu, som leder tillverkningen av Si 3 N 4 fotonikchips vid EPFL:s Center of MicroNanoTechnology (CMi). "Genom att utnyttja piezoelektriska och bulk akusto-optiska interaktioner, det möjliggör on-chip optisk modulering med oöverträffad hastighet och ultralåg strömförbrukning."
Mikroskopbild som visar de piezoelektriska ställdonen som täcker de fotoniska kretsarna av kiselnitrid. Kredit:Junqiu Liu, Rui Ning Wang
Två nya applikationer
Med det nya hybridsystemet, forskarna visade två oberoende tillämpningar:För det första, optimeringen av en mikrokambaserad massivt parallell koherent LiDAR, baserat på deras tidigare arbete också publicerat i Natur nyligen. Detta tillvägagångssätt skulle kunna ge en väg till chipbaserade LiDAR-motorer som drivs av CMOS-mikroelektroniska kretsar.
Andra, de byggde magnetfria optiska isolatorer genom spatio-temporal modulering av en Si 3 N 4 mikroresonator, som nyligen publicerades i Naturkommunikation . "Den snäva vertikala inneslutningen av de akustiska bulkvågorna förhindrar överhörning och möjliggör nära placering av ställdonen, vilket är utmanande att uppnå i p-i-n kiselmodulatorer, " säger Hao Tian, som tillverkade de piezoelektriska ställdonen i Scifres renrum i Purdues Birck Nanotechnology Center.
Den nya tekniken kan ge impulser till mikrokamapplikationer i kraftkritiska system, t.ex. i rymden, datacenter och bärbara atomur, eller i extrema miljöer som kryogena temperaturer. "Ännu oförutsedda ansökningar kommer att följa upp i flera samhällen, ", säger professor Kippenberg. "Det har visat sig gång på gång att hybridsystem kan få fördelar och funktionalitet utöver de som uppnås med individuella beståndsdelar."
"Jag läste nyligen en Scientific American artikel som verkligen fick genklang hos mig, " tillägger professor Bhave. "Det heter, "Varför vetenskap är bättre när den är multinationell." Våra resultat skulle inte vara möjliga utan detta multidisciplinära och interkontinentala samarbete."
