开发基于芯片的紫外线和可见光光子谐振器
发布时间：2023-09-28 09:53:00 阅读数： 127
科学家们最近研制出了基于芯片的光子谐振器，可在光谱的紫外线（UV）和可见光区域发挥作用，并显示出创纪录的低紫外光损耗。
研究人员创建了一种基于芯片的环形谐振器，可在光谱的紫外线和可见光区域工作，并显示出创纪录的低紫外线光损。图为共振器（中间的小圆圈）与蓝光的对比。图片来源：耶鲁大学，何成兴
新开发的谐振器为扩大紫外光子集成电路 (PIC) 设计的尺寸、复杂性和精度奠定了坚实的基础。
这一进步有望促进基于芯片的创新型微型小工具的诞生，为光谱传感、水下通信和量子信息处理等领域带来更多可能性。
与电信光子学和可见光光子学等更成熟的领域相比，紫外光子学的探索较少，尽管在基于原子/离子的量子计算中需要紫外波长来获取某些原子跃迁，以及激发某些荧光分子用于生化传感。我们的工作为构建可在紫外波长工作的光子电路奠定了良好基础。何成兴，耶鲁大学研究团队成员
在 Optica 出版集团出版的《光学快报》（Optics Express）杂志上，科学家们详细介绍了他们发现的氧化铝基光学微谐振器。他们阐明了如何通过将适当的材料、精心优化的设计和精确的制造技术巧妙地结合在一起，实现了紫外波长下的超低损耗。
我们的工作表明，紫外光 PIC 已经达到了一个临界点，在这个临界点上，波导的光损耗不再明显低于可见光波导。这意味着为可见光和电信波长开发的所有有趣的 PIC 结构，如频率梳和注入锁定，也可以应用于紫外波长。唐宏，耶鲁大学
研究小组由唐宏领导。
减少光损失
微谐振器由优质氧化铝薄膜组成，共同作者、Entegris 公司的 Carlo Waldfried 和 Jun-Fei Zheng 采用可扩展的原子层沉积 (ALD) 工艺精心制作而成。
氧化铝具有约 8 eV 的巨大带隙，因此对紫外线光子是透明的，而紫外线光子的能级（约 4 eV）比带隙低得多。因此，紫外线波长不会被这种材料吸收。
此前的记录是用氮化铝创下的，氮化铝的带隙约为 6 eV。与单晶氮化铝相比，非晶 ALD 氧化铝的缺陷更少，制造难度更低，这有助于我们实现更低的损耗。
耶鲁大学研究团队成员何成兴
为了制造微谐振器，科学家们在氧化铝上采用了蚀刻工艺，形成了一种通常称为肋波导的结构。在这种结构中，板坯顶部的条带产生了光约束结构。
随着肋条深度的增加，光约束效果也越来越明显，但同时也导致散射损耗增加。为了达到最佳平衡，他们利用模拟来确定精确的蚀刻深度，以达到必要的光约束，同时最大限度地减少散射损失。
制作环形谐振器
研究人员运用从波导研究中获得的见解，继续制造出半径为 400 微米的环形谐振器。他们观察到，通过在 400 纳米厚的氧化铝薄膜上保持超过 80 纳米的蚀刻深度，可以有效地将辐射损耗降至 488.5 纳米处小于 0.06 dB/cm，390 纳米处小于 0.001 dB/cm。
随后，在根据计算参数制造出这些环形谐振器后，研究人员测定了它们的 Q 值。在紫外光谱 390 纳米波段，他们获得了 1.5 × 106 的优异 Q 值系数；在可见蓝光 488.5 纳米波段，他们获得了 1.9 × 106 的 Q 值系数。Q 因子越高，表明光损耗越小。
与可见光或电信波长的微波集成电路相比，紫外微波集成电路由于带宽更大，或在水下等其他波长被吸收的条件下，可能会在通信领域占据优势。
耶鲁大学研究团队成员何成兴
他补充说："此外，用于制造氧化铝的原子层沉积工艺与 CMOS 兼容，这为 CMOS 与基于非晶氧化铝的光子学集成铺平了道路。
该研究团队目前正专注于推进具有各种波长可调谐性的氧化铝基环形谐振器。
这一发展有望实现对波长的精确控制，或通过两个谐振器的相互作用创建调制器。此外，他们的目标还包括创建一个集成到光子集成电路（PIC）中的紫外线光源，以建立一个基于 PIC 的综合紫外线系统。
参考资料
He, C., et al. (2023) Ultra-high Q alumina optical microresonators in the UV and blue bands. Optica. doi.org/10.1364/OE.492510.
