Đại học Yale: Sự mất ánh sáng tia cực tím của các bộ cộng hưởng quang tử quy mô chip đã đạt đến mức thấp mới

Với vai trò then chốt của quang tử học trong truyền thông thông tin và điện toán lượng tử, việc nghiên cứu trong lĩnh vực tia cực tím có ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Yale đã chế tạo thành công bộ cộng hưởng quang tử dựa trên chip hoạt động trong phổ ánh sáng tử ngoại (UV) đến khả kiến ​​và cho thấy mức mất ánh sáng tia cực tím thấp chưa từng thấy. Bộ cộng hưởng mới này cung cấp nền tảng vững chắc để mở rộng kích thước thiết kế, độ phức tạp và độ trung thực của mạch tích hợp quang tử cực tím (PIC), đồng thời được kỳ vọng sẽ thúc đẩy ứng dụng của các thiết bị dựa trên vi mạch trong cảm biến quang phổ, liên lạc dưới nước và xử lý thông tin lượng tử.

Bộ cộng hưởng vòng quy mô chip, như trong Hình 1, hoạt động trong phổ tử ngoại đến khả kiến ​​và đạt được mức tổn thất ánh sáng tia cực tím thấp kỷ lục. Bộ cộng hưởng (vòng tròn nhỏ ở giữa) hiển thị dưới dạng ánh sáng xanh.

Chengxing He, thành viên nhóm nghiên cứu tại Đại học Yale, cho biết: “So với quang tử viễn thông tương đối trưởng thành và quang tử khả kiến, nghiên cứu về quang tử tử ngoại vẫn còn tương đối nhỏ. Tuy nhiên, khi xem xét nhu cầu sử dụng bước sóng cực tím trong điện toán lượng tử dựa trên nguyên tử/ion để điều khiển các chuyển đổi trạng thái nguyên tử nhất định và kích hoạt các phân tử huỳnh quang cụ thể cho hoạt động sinh hóa cảm biến, thăm dò ở lĩnh vực này là vô cùng có giá trị. Nghiên cứu của chúng tôi đặt nền tảng quan trọng cho việc xây dựng các mạch quang tử bước sóng cực tím.”

Trong bài báo, các nhà nghiên cứu mô tả bộ cộng hưởng quang học dựa trên alumina và cách chúng đạt được tổn thất thấp chưa từng có ở bước sóng cực tím bằng cách kết hợp các vật liệu phù hợp với thiết kế và chế tạo tối ưu.

Hong Tang, trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết: "Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy mạch tích hợp quang tử tia cực tím (UV PIC) hiện đã đạt đến một bước ngoặt trong đó sự mất ánh sáng trong phổ tử ngoại không nghiêm trọng hơn trong vùng khả kiến. Điều này có nghĩa là tất cả các cấu trúc PIC tiên tiến trước đây được phát triển cho các bước sóng khả kiến ​​và viễn thông, chẳng hạn như lược tần số và công nghệ khóa phun, giờ đây có thể được mở rộng sang tia cực tím." bước sóng."

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

Bộ cộng hưởng vi Alumina: giảm mất ánh sáng

hình ảnh

Bộ cộng hưởng vi mô được chế tạo từ màng alumina chất lượng cao do đồng tác giả Integris là Carlo Waldfried và Jun-Fei Zheng chế tạo bằng cách sử dụng công nghệ lắng đọng lớp nguyên tử (ALD) tiên tiến. Alumina có vùng cấm lớn (khoảng 8 eV), khiến nó trong suốt đối với các photon tử ngoại có năng lượng thấp hơn (khoảng 4 eV), do đó vật liệu này không hấp thụ ánh sáng cực tím.

Kỷ lục trước đó đã đạt được khi sử dụng nhôm nitrit có dải cấm khoảng 6 eV. Không giống như nhôm nitrit đơn tinh thể, các lớp nguyên tử vô định hình được lắng đọng bằng alumina có ít khuyết tật hơn, dễ sản xuất hơn và mất ánh sáng thấp hơn.

Trong quá trình chế tạo bộ cộng hưởng vi mô, các nhà nghiên cứu đã khắc nhôm oxit để tạo thành một cấu trúc thường được gọi là "ống dẫn sóng có gân". Trong ống dẫn sóng có gân này, một dải hẹp ở phía trên tạo thành cấu trúc hạn chế sự truyền ánh sáng. Gờ của ống dẫn sóng càng sâu thì hạn chế ánh sáng càng mạnh nhưng điều đó cũng có nghĩa là tổn thất tán xạ càng tăng. Để tối ưu hóa cấu trúc, họ đã sử dụng các kỹ thuật mô phỏng để xác định độ sâu ăn mòn tối ưu, nhằm đạt được khả năng giam giữ chùm tia lý tưởng đồng thời giảm thiểu tổn thất do tán xạ.

Bộ cộng hưởng vòng: Đánh giá hiệu suất và triển vọng tích hợp

hình ảnh

Nhóm nghiên cứu đã áp dụng kinh nghiệm thu được từ việc nghiên cứu ống dẫn sóng để chế tạo bộ cộng hưởng vòng có bán kính 400 μm. Họ quan sát thấy rằng trên màng oxit nhôm có độ dày 400 nm, khi độ sâu ăn mòn đạt hơn 80 nm, tổn thất bức xạ giảm xuống dưới 0,06 dB/cm ở 488,5 nm và 0,001 dB/cm ở 390 nm.

Trên bộ cộng hưởng vòng được chế tạo theo các thông số này, các nhà nghiên cứu đã đánh giá hệ số chất lượng Q bằng cách đo độ rộng cực đại cộng hưởng và quét tần số quang của bộ cộng hưởng. Kết quả cho thấy hệ số chất lượng cao tới 1,5×106 ở bước sóng 390 nm (phạm vi UV) và 1,9×106 ở 488,5 nm (dải màu xanh nhìn thấy được) (hệ số chất lượng cao hơn có nghĩa là mất ánh sáng ít hơn).

So với các PIC được thiết kế đặc biệt cho ánh sáng khả kiến ​​hoặc bước sóng viễn thông, PIC UV có thể có lợi thế hơn trong lĩnh vực truyền thông do băng thông rộng hơn hoặc khó bị hấp thụ hơn trong một số điều kiện nhất định, chẳng hạn như dưới nước. Đáng chú ý hơn, công nghệ lắng đọng lớp nguyên tử để sản xuất alumina tương thích với công nghệ CMOS, tạo ra khả năng kết hợp giữa quang tử CMOS và alumina vô định hình.

Hiện tại, các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu phát triển các bộ cộng hưởng vòng dựa trên alumina có thể điều chỉnh theo nhiều bước sóng. Điều này sẽ giúp đạt được sự kiểm soát bước sóng chính xác hoặc phát triển các bộ điều biến bằng cách sử dụng hai bộ cộng hưởng tương tác. Ngoài ra, họ có kế hoạch phát triển nguồn ánh sáng UV tích hợp trên PIC để xây dựng một hệ thống UV dựa trên Pic hoàn chỉnh.

Ánh sáng cực tím (EUV) là một tiểu vùng trong dải tử ngoại (UV) có bước sóng ngắn hơn các tiểu vùng UV khác và thường được sử dụng cho các ứng dụng kỹ thuật có độ chính xác cao. Để nâng cao trình độ nghiên cứu của Trung Quốc trong các lĩnh vực khoa học, công nghệ và ứng dụng liên quan đến nguồn ánh sáng cực tím, đồng thời thúc đẩy sự phát triển toàn diện nguồn ánh sáng cực tím cho giới hạn khoa học thế giới, nhu cầu chiến lược quốc gia, chiến trường chính của nền kinh tế quốc gia, thông tin và trí tuệ nhân tạo, China Laser có kế hoạch xuất bản chủ đề "Nguồn sáng cực tím và ứng dụng" trong số 7 (tháng 4) năm 2024. Tập trung vào tiến bộ mới nhất và xu hướng phát triển nguồn ánh sáng cực tím trong nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật, đồng thời thúc đẩy đào tạo nhân tài tổng hợp chất lượng cao và xây dựng các ngành liên quan.