Universidade de Yale: A perda de luz ultravioleta de ressonadores fotônicos em escala de chip atingiu um novo mínimo

Com o papel fundamental da fotônica na comunicação de informação e na computação quântica, a pesquisa no campo da luz ultravioleta é particularmente importante. Uma equipe de pesquisa da Universidade de Yale construiu com sucesso um ressonador fotônico baseado em chip que opera no espectro de luz ultravioleta (UV) a visível e exibe baixa perda de luz UV sem precedentes. Este novo ressonador fornece uma base sólida para expandir o tamanho do projeto, a complexidade e a fidelidade dos circuitos integrados fotônicos ultravioleta (PIC), e espera-se que avance a aplicação de dispositivos baseados em microchips em detecção espectral, comunicações subaquáticas e processamento de informações quânticas.

O ressonador de anel em escala de chip, mostrado na Figura 1, opera no espectro ultravioleta ao visível e atinge baixa perda recorde de luz UV. O ressonador (pequeno círculo no meio) é mostrado em luz azul.

Chengxing He, membro da equipe de pesquisa da Universidade de Yale, disse:"Em comparação com a fotônica de telecomunicações relativamente madura e a fotônica visível, a pesquisa da fotônica ultravioleta ainda é relativamente pequena. No entanto, considerando a necessidade de usar comprimentos de onda ultravioleta na computação quântica baseada em átomos/íons para manipular certas transições de estado atômico e ativar moléculas fluorescentes específicas para detecção bioquímica, a exploração nesta área é extremamente valiosa. Nossa pesquisa estabelece uma base importante para a construção de circuitos fotônicos de comprimento de onda ultravioleta."

No artigo, os pesquisadores descrevem um microrressonador óptico à base de alumina e como eles alcançaram perdas baixas sem precedentes em comprimentos de onda ultravioleta, combinando os materiais certos com design e fabricação otimizados.

Hong Tang, líder da equipe de pesquisa, disse:"Nossa pesquisa mostra que os circuitos integrados fotônicos ultravioleta (PICs UV) atingiram agora um ponto de inflexão onde a perda de luz não é mais severa no espectro ultravioleta do que na região visível. Isso significa que todas as estruturas PIC avançadas anteriormente desenvolvidas para comprimentos de onda visíveis e de telecomunicações, como pentes de frequência e tecnologias de bloqueio de injeção, podem agora ser estendidas para ultravioleta comprimentos de onda."

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

Microrressonador de alumina: reduz a perda de luz

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O microrressonador é construído a partir de um filme de alumina de alta qualidade preparado pelos coautores da Integris, Carlo Waldfried e Jun-Fei Zheng, usando tecnologia avançada de deposição de camada atômica (ALD). A alumina tem um grande gap (cerca de 8 eV), tornando-a transparente para fótons ultravioleta de baixa energia (cerca de 4 eV), de modo que o material não absorve luz ultravioleta.

O recorde anterior foi alcançado usando nitreto de alumínio com um band gap de cerca de 6 eV. Ao contrário do nitreto de alumínio monocristalino, as camadas atômicas amorfas depositadas com alumina apresentam menos defeitos, são mais fáceis de produzir e apresentam menor perda de luz.

Durante a fabricação do microrressonador, os pesquisadores gravaram óxido de alumínio para formar uma estrutura comumente chamada de “guia de ondas com nervuras”. Neste guia de ondas com nervuras, uma faixa estreita no topo forma uma estrutura que limita a propagação da luz. Quanto mais profunda for a nervura do guia de ondas, mais forte será a restrição de luz, mas também significa que a perda de dispersão aumenta. Para otimizar a estrutura, eles utilizaram técnicas de simulação para determinar a profundidade ideal de gravação, visando atingir o confinamento ideal do feixe e, ao mesmo tempo, minimizar as perdas por espalhamento.

Ressonadores de anel: avaliação de desempenho e perspectivas de integração

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A equipe de pesquisa aplicou a experiência adquirida no estudo de guias de ondas para fabricar um ressonador de anel com raio de 400 μm. Eles observaram que em filmes de óxido de alumínio com espessura de 400 nm, quando a profundidade de ataque atinge mais de 80 nm, a perda de radiação diminui para menos de 0,06 dB/cm em 488,5 nm e 0,001 dB/cm em 390 nm.

Em um ressonador de anel construído de acordo com esses parâmetros, os pesquisadores avaliaram o fator de qualidade Q medindo a largura do pico ressonante e digitalizando a frequência óptica do ressonador. Os resultados mostram que o fator de qualidade é tão alto quanto 1,5×106 em comprimento de onda de 390 nm (faixa UV) e 1,9×106 em 488,5 nm (faixa azul visível) (fator de qualidade mais alto significa menos perda de luz).

Em comparação com os PICs projetados especificamente para comprimentos de onda de luz visível ou de telecomunicações, os PICs UV podem ter uma vantagem no campo das comunicações devido à sua largura de banda mais ampla ou por serem menos facilmente absorvidos sob certas condições, como debaixo d'água. Mais notavelmente, a tecnologia de deposição de camada atômica para a produção de alumina é compatível com a tecnologia CMOS, o que cria a possibilidade de fusão de CMOS e fotônica de alumina amorfa.

Atualmente, os pesquisadores estão trabalhando no desenvolvimento de ressonadores de anel baseados em alumina que podem ser sintonizados em vários comprimentos de onda. Isso ajudará a obter um controle preciso do comprimento de onda ou a desenvolver moduladores usando dois ressonadores interativos. Além disso, eles planejam desenvolver uma fonte de luz UV integrada no PIC para construir um sistema UV completo baseado em Pic.

A luz ultravioleta extrema (EUV) é uma sub-região na faixa ultravioleta (UV) que tem um comprimento de onda mais curto do que outras sub-regiões UV e é frequentemente usada para aplicações técnicas de alta precisão. A fim de melhorar o nível de pesquisa da China nas áreas de ciência, tecnologia e aplicação relacionadas à fonte de luz ultravioleta extrema e promover o desenvolvimento abrangente de fontes de luz ultravioleta extrema para a fronteira científica mundial, necessidades estratégicas nacionais, o principal campo de batalha da economia nacional, informação e inteligência artificial, a China Laser planeja publicar o tópico "Fonte e aplicação de luz ultravioleta extrema" na 7ª edição (abril) de 2024. Foco no últimos progressos e tendências de desenvolvimento de fontes de luz ultravioleta extrema em pesquisa e aplicação técnica, e promover o treinamento de talentos compostos de alta qualidade e a construção de disciplinas relacionadas.