Universidad de Yale: la pérdida de luz ultravioleta de los resonadores fotónicos a escala de chip ha alcanzado un nuevo mínimo

Dado el papel clave de la fotónica en la comunicación de información y la computación cuántica, la investigación en el campo de la luz ultravioleta es particularmente importante. Un equipo de investigación de la Universidad de Yale ha construido con éxito un resonador fotónico basado en un chip que opera en el espectro de luz ultravioleta (UV) a visible y exhibe una baja pérdida de luz ultravioleta sin precedentes. Este nuevo resonador proporciona una base sólida para ampliar el tamaño del diseño, la complejidad y la fidelidad de los circuitos integrados fotónicos ultravioleta (PIC), y se espera que avance en la aplicación de dispositivos basados ​​en microchips en detección espectral, comunicaciones submarinas y procesamiento de información cuántica.

El resonador de anillo a escala de chip, que se muestra en la Figura 1, opera en el espectro ultravioleta al visible y logra una pérdida récord de luz ultravioleta. El resonador (pequeño círculo en el medio) se muestra en luz azul.

Chengxing He, miembro del equipo de investigación de la Universidad de Yale, dijo: "En comparación con la fotónica de telecomunicaciones y la fotónica visible relativamente maduras, la investigación de la fotónica ultravioleta es todavía relativamente pequeña. Sin embargo, considerando la necesidad de utilizar longitudes de onda ultravioleta en la computación cuántica basada en átomos/iones para manipular ciertas transiciones de estados atómicos y activar moléculas fluorescentes específicas para la detección y exploración bioquímica en este ámbito es extremadamente valioso. Nuestra investigación sienta una base importante para la construcción de circuitos fotónicos de longitud de onda ultravioleta".

En el artículo, los investigadores describen un microresonador óptico a base de alúmina y cómo lograron bajas pérdidas sin precedentes en longitudes de onda ultravioleta combinando los materiales adecuados con un diseño y fabricación optimizados.

Hong Tang, líder del equipo de investigación, dijo: "Nuestra investigación muestra que los circuitos integrados fotónicos ultravioleta (UV PIC) han alcanzado un punto de inflexión en el que la pérdida de luz no es más grave en el espectro ultravioleta que en la región visible. Esto significa que todas las estructuras PIC avanzadas desarrolladas anteriormente para longitudes de onda visibles y de telecomunicaciones, como los peines de frecuencia y las tecnologías de bloqueo por inyección, ahora pueden ampliarse a longitudes de onda ultravioleta".

DOI: https://doi.org/10.1364/OE.492510

Microresonador de alúmina: reduce la pérdida de luz

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El microresonador está construido a partir de una película de alúmina de alta calidad preparada por los coautores de Integris, Carlo Waldfried y Jun-Fei Zheng, utilizando tecnología avanzada de deposición de capas atómicas (ALD). La alúmina tiene una banda prohibida grande (aproximadamente 8 eV), lo que la hace transparente a los fotones ultravioleta de menor energía (aproximadamente 4 eV), por lo que el material no absorbe la luz ultravioleta.

El récord anterior se logró utilizando nitruro de aluminio con una banda prohibida de aproximadamente 6 eV. A diferencia del nitruro de aluminio monocristalino, las capas atómicas amorfas depositadas con alúmina tienen menos defectos, son más fáciles de producir y tienen una menor pérdida de luz.

Durante la fabricación del microresonador, los investigadores grabaron óxido de aluminio para formar una estructura comúnmente conocida como "guía de ondas acanalada". En esta guía de ondas acanalada, una estrecha franja en la parte superior forma una estructura que limita la propagación de la luz. Cuanto más profunda es la nervadura de la guía de ondas, más fuerte es la restricción de luz, pero también significa que aumenta la pérdida por dispersión. Para optimizar la estructura, utilizaron técnicas de simulación para determinar la profundidad óptima de grabado, con el objetivo de lograr el confinamiento ideal del haz y minimizar las pérdidas por dispersión.

Resonadores de anillo: evaluación del rendimiento y perspectivas de integración.

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El equipo de investigación aplicó la experiencia adquirida en el estudio de guías de ondas para fabricar un resonador anular con un radio de 400 μm. Observaron que en películas de óxido de aluminio con un espesor de 400 nm, cuando la profundidad de grabado alcanza más de 80 nm, la pérdida de radiación disminuye a menos de 0,06 dB/cm a 488,5 nm y 0,001 dB/cm a 390 nm.

En un resonador de anillo construido según estos parámetros, los investigadores evaluaron el factor de calidad Q midiendo el ancho del pico resonante y escaneando la frecuencia óptica del resonador. Los resultados muestran que el factor de calidad es tan alto como 1,5×106 a una longitud de onda de 390 nm (rango UV) y 1,9×106 a 488,5 nm (rango azul visible) (un factor de calidad más alto significa menos pérdida de luz).

En comparación con los PIC diseñados específicamente para luz visible o longitudes de onda de telecomunicaciones, los PIC UV pueden tener una ventaja en el campo de las comunicaciones debido a su ancho de banda más amplio o a que se absorben con menor facilidad en determinadas condiciones, como bajo el agua. Más notablemente, la tecnología de deposición de capas atómicas para la producción de alúmina es compatible con la tecnología CMOS, lo que crea la posibilidad de fusión de CMOS y fotónica de alúmina amorfa.

Actualmente, los investigadores están trabajando en el desarrollo de resonadores anulares a base de alúmina que puedan sintonizarse en múltiples longitudes de onda. Esto ayudará a lograr un control preciso de la longitud de onda o a desarrollar moduladores mediante el uso de dos resonadores que interactúan. Además, planean desarrollar una fuente de luz ultravioleta integrada en el PIC para construir un sistema UV completo basado en Pic.

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