研究人员制造出具有创纪录的低紫外线损失的基于芯片的光学谐振器
研究人员创建了基于芯片的光子谐振器，该谐振器在光谱的紫外线 (UV) 和可见光区域工作，并表现出创纪录的低紫外线光损失。新的谐振器为增加紫外光子集成电路(PIC)设计的尺寸、复杂性和保真度奠定了基础，这可以为光谱传感、水下通信和量子信息处理等应用提供基于新型微型芯片的设备。
“与电信光子学和可见光子学等成熟领域相比，尽管需要紫外波长来访问基于原子/离子的量子计算中的某些原子跃迁并激发某些荧光分子进行生化传感，但紫外光子学的探索较少，”耶鲁大学研究小组成员何成兴说道。“我们的工作为构建在紫外波长下工作的光子电路奠定了良好的基础。”
在 Optica 出版集团的期刊《Optics Express》中，研究人员描述了基于氧化铝的光学微谐振器，以及它们如何通过将正确的材料与优化的设计和制造相结合，在紫外波长下实现前所未有的低损耗。
研究团队负责人唐洪表示：“我们的工作表明，紫外 PIC 已经达到了一个临界点，波导的光损失不再明显比可见光损失差。” “这意味着为可见光和电信波长开发的所有有趣的 PIC 结构，例如频率梳和注入锁定，也可以应用于紫外线波长。”
减少光损失
微谐振器由来自 Entegris Inc. 的合著者 Carlo Waldfried 和 Jun-Fei Cheng 使用高度可扩展的原子层沉积 (ALD) 工艺制备的高质量氧化铝薄膜制成。氧化铝约 8eV 的大带隙使其对紫外光子透明，而紫外光子的能量远低于带隙(约 4eV)。因此，这种材料不吸收紫外线波长。
“之前的记录是用氮化铝完成的，它的带隙约为 6eV，”他说。“与单晶氮化铝相比，非晶 ALD 氧化铝缺陷较少，制造难度也较小，这有助于我们实现更低的损耗。”
为了制造微谐振器，研究人员蚀刻了氧化铝以制造出通常所说的肋形波导，其中顶部带有条带的板形成了光限制结构。随着肋变得更深，限制变得更强，但散射损失也变得更强。他们使用模拟来找到正确的蚀刻深度，以实现所需的光限制，同时最大限度地减少散射损失。
制作环形谐振器
研究人员应用从波导中学到的知识来制造半径为 400 微米的环形谐振器。他们发现，当在400纳米厚的氧化铝薄膜中蚀刻深度超过80纳米时，辐射损耗在488.5纳米处可以被抑制到小于0.06分贝/厘米，在390纳米处可以被抑制到小于0.001分贝/厘米。
根据这些计算制造出环形谐振器后，研究人员通过测量谐振峰的宽度，同时扫描注入谐振器的光频率来确定其 Q 因子。他们发现，在 390 nm(光谱的紫外部分)处的质量 (Q) 因子为 1.5 × 10 6 ，创历史新高，在 488.5 nm(可见蓝光的波长)处的 Q 因子为 1.9 × 10 6 。Q 因子越高表示光损失越少。
He 说：“与可见光或电信波长的 PIC 相比，紫外 PIC 可能会在通信领域找到优势，因为它具有更大的带宽或在水下等其他波长被吸收的条件下。” “此外，用于制造氧化铝的原子层沉积工艺与 CMOS 兼容，这一事实为 CMOS 与非晶氧化铝基光子学的集成铺平了道路。”
研究人员目前正在致力于开发基于氧化铝的环形谐振器，可以调整以适应不同的波长。这可用于实现精确的波长控制或通过使用两个相互干扰的谐振器来创建调制器。他们还希望开发一种集成 PIC 的 UV 光源，以形成一个完整的基于 PIC 的 UV 系统。
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