En av de viktigaste elementen i fotonchips eller kvantchips är den optiska vågledaren. Men på grund av begränsningar i befintliga tillverkningsmetoder är det svårt att effektivt producera vågledare med hög precisionskontroll av 3D-tvärsnittets form och storlek. För att lösa detta utmanande problem har forskare vid University of Oxford utvecklat en ny teknik för tillverkning av vågledare, som snabbt kan producera vågledare i ett chip med exakt kontrollerade 3D-tvärsnitt, som också uppvisar ett förändrat beteende längs vågledaren. Vågledarna har demonstrerats med mycket låga förluster och visar mycket lovande för fotoniska eller kvantchips.

Bakgrund

Med halvledarindustrins framsteg närmar sig den traditionella elektroniska integrerade kretsen sin gräns för bandbredd och energiförbrukning. Jämfört med elektroniska integrerade kretsar uppvisar fotoniska integrerade kretsar lägre överföringsförluster, bredare bandbredd och mindre tidsfördröjning. Å andra sidan indikerar den snabba utvecklingen av kvantteknologi under de senaste decennierna att kvantchips lovar att ersätta vissa aspekter av traditionella elektroniska integrerade kretsar i framtiden.

Det är välkänt att den grundläggande enheten för elektronisk integrerad krets är en halvledardiod. Liksom elektroniska integrerade kretsar har optoelektroniska chips eller kvantchips sina egna grundläggande komponenter. Bland dessa grundläggande komponenter är den optiska vågledaren i mikronskala ett av de viktigaste elementen. Baserat på evanescent vågkoppling kan intilliggande optiska vågledare realisera programmerbar signalbehandling, vilket ger oumbärliga funktioner för kvant-/fotonchipsen.

På grund av tidigare begränsningar inom tillverkningsteknik har optiska vågledare i mikronstorlek begränsats till tvådimensionella kvadratiska, elliptiska och cirkulära tvärsnitt. För närvarande finns det begränsade teknikalternativ som effektivt kan producera vågledare med både låg förlust och exakt 3D-tvärsnittsvariation. Detta medför många begränsningar för funktionaliteten och effektiviteten hos foton- och kvantchips.

SPIM-WGs-tekniken

I en ny artikel publicerad i Light Science &Application , Dr Bangshan Sun, Prof. Martin J. Booth och ett team av forskare vid University of Oxford, samarbetade med Prof. Alina Karabchevsky från Israel, Prof. Alexander Jesacher från Österrike och Prof. Ian A. Walmsley från Imperial College London , har utvecklat en ny teknik som heter "SPIM-WGs." Med denna teknik kan optiska vågledare med kontinuerligt varierbara 3D-tvärsnitt effektivt tillverkas i ett chip. Optiska vågledare som utvecklats baserat på denna teknik har inte bara överlägsen prestanda jämfört med traditionella vågledare, utan har också flera nya funktioner som banar väg för framtida fotonik- och kvantchips.

Baserat på adaptiv optik är teknikens största höjdpunkt att den effektivt kan producera lågförlustvågledare med variabla tvärsnitt, såsom cirkulära, kvadratiska, ringformiga eller många andra komplicerade former. Precisionen i att styra tvärsnittet i varje axel kan gå ner till hundratals nanometer. För en enda vågledare kan tvärsnittsformen variera längs själva vågledaren. Till exempel kan de vara vridna, varierande från kvadratiska till cirkulära, eller från cirkulära till ringformade, och så vidare.

Det är värt att nämna att vågledaren uppvisar mycket låga transmissionsförluster under den exakta förändringen av morfologi. Baserat på glassubstratet har vågledaren en transmissionsförlust på cirka -0,14 dB/cm, vilket innebär att endast cirka 3 % av den optiska effekten går förlorad vid sändning 1 cm genom chipet. Experimentella resultat visar att den extra överföringsförlusten som orsakas av tvärsnittsvariation är nästan försumbar.

Tidskostnaden för att tillverka vågledarna är också anmärkningsvärd. Till exempel tar traditionell kisel-på-kisel (SoS) metod ungefär en månad eller mer att producera vågledare från beredning. Som jämförelse kan SPIM-WG produceras på några minuter, vilket ger en annan nivå av flexibilitet vid prototypframställning och tillverkning.

Tillämpningspotential

Den viktigaste tillämpningen av SPIM-WG är omvandling av optiskt läge. I teorin kan SPIM-WG:er tillhandahålla kapaciteten för optisk modomvandling för alla godtyckliga former, begränsade endast av den diffraktionsbegränsade storleken hos det tillverkande laserfokuset. SPIM-WGs kan enkelt konvertera mellan Gaussiska ljuslägen, elliptiska ljuslägen, dubbellobs TE01 och ring TE01 lägen. Dessa lägen förekommer i ett brett utbud av optoelektroniska chips.

En viktigast tillämpning vid modomvandling är mellan pp-KTP-vågledare och singelmodsfiber, överbryggande kvantljuskällor och kvantchips. För närvarande måste pp-KTP-vågledaren i kvantljuskällan vara direkt ansluten till en enkelmodsfiber, som förlorar cirka 25-30% av ljusintensiteten. Om modomvandlingsvågledaren gjord av SPIM-WGs används för bryggningen, förväntas ljusintensitetsförlusten minskas under 10 %. Detta skulle avsevärt förbättra effektiviteten för de flesta kvantchips.

Dessutom kan SPIM-WG, baserat på funktionaliteten för modomvandling, anslutas till en enkelmodsfiber med kopplingseffektivitet upp till 95 %. Detta gör att SPIM-WGs enheter enkelt kan kombineras med de flesta befintliga fotoniska enheter.

Det har visat sig att vågledare med rektangulära tvärsnitt vridna i 90 grader till och med kan användas för att styra ljusets polarisering. Detta lovar också många fotonik- och kvanttillämpningar. + Utforska vidare

Styrning av icke-klassiska mekaniska tillstånd i en fononisk vågledararkitektur