SPIM-WG с различными поперечными сечениями, обеспечивающими преобразование режима. 1 кредит

Одним из наиболее важных элементов фотонных или квантовых чипов является оптический волновод. Однако из-за ограничений существующих методов изготовления сложно эффективно производить волноводы с высокоточным контролем формы и размера трехмерного поперечного сечения. Чтобы решить эту сложную проблему, ученые из Оксфордского университета разработали новую технологию изготовления волноводов, которая позволяет быстро производить волноводы в чипе с точно контролируемыми трехмерными поперечными сечениями, которые также демонстрируют изменяющееся поведение вдоль волновода. Волноводы были продемонстрированы с очень низкими потерями и открывают большие перспективы для фотонных или квантовых чипов.

Фон

С развитием полупроводниковой промышленности традиционная электронная интегральная схема приближается к своему пределу пропускной способности и энергопотребления. По сравнению с электронными интегральными схемами фотонные интегральные схемы демонстрируют меньшие потери при передаче, более широкую полосу пропускания и меньшую временную задержку. С другой стороны, быстрое развитие квантовых технологий в последние десятилетия указывает на то, что квантовые чипы обещают в будущем заменить некоторые аспекты традиционных электронных интегральных схем.

Хорошо известно, что основным элементом электронной интегральной схемы является полупроводниковый диод. Подобно электронным интегральным схемам, оптоэлектронные или квантовые чипы имеют свои собственные базовые компоненты. Среди этих основных компонентов оптический волновод микронного масштаба является одним из наиболее важных элементов. На основе связи затухающих волн соседние оптические волноводы могут реализовать программируемую обработку сигналов, предоставляя необходимые функции для квантовых/ фотонных чипов.

Из-за предыдущих ограничений в технологии изготовления оптические волноводы микронного размера были ограничены двумерными квадратными, эллиптическими и круглыми поперечными сечениями. В настоящее время существует ограниченное количество технологических возможностей, позволяющих эффективно производить волноводы с малыми потерями и точным трехмерным изменением поперечного сечения. Это накладывает множество ограничений на функциональность и эффективность фотонных и квантовых чипов.

Технология SPIM-WGs

В новой статье, опубликованной в журнале Light Science & Application, д-р Бангшан Сан, профессор Мартин Дж. Бут и группа ученых из Оксфордского университета совместно с профессором Алиной Карабчевской из Израиля, профессором Александром Йезахером из Австрии и Профессор Ян А. Уолмсли из Имперского колледжа Лондона разработал новую технологию под названием «SPIM-WG». С помощью этого метода оптические волноводы с плавно изменяющимся трехмерным поперечным сечением могут быть эффективно изготовлены в чипе. Оптические волноводы, разработанные на основе этой технологии, не только обладают превосходными характеристиками по сравнению с традиционными волноводами, но также имеют несколько новых функций, открывающих путь для будущих фотонных и квантовых чипов.

Основным преимуществом этой технологии, основанной на адаптивной оптике, является то, что она может эффективно производить волноводы с низкими потерями переменного поперечного сечения, например, круглой, квадратной, кольцевой или многих других сложных форм. Точность управления поперечным сечением по каждой оси может достигать сотен нанометров. Для одиночного волновода форма поперечного сечения может варьироваться вдоль самого волновода. Например, они могут быть скручены, от квадратной до круглой или от круглой до кольцеобразной и так далее.

Стоит отметить, что волновод имеет очень низкие потери при передаче при точном изменении морфологии. На основе стеклянной подложки волновод имеет потери при передаче около -0,14 дБ/см, что означает, что только около 3% оптической мощности теряется при передаче на 1 см через чип. Экспериментальные результаты показывают, что дополнительные потери при передаче, вызванные изменением поперечного сечения, практически незначительны.

Заслуживают внимания и затраты времени на изготовление волноводов. Например, при использовании традиционного метода «кремний на кремнии» (SoS) для изготовления волноводов из подготовки требуется около месяца или больше. Для сравнения, SPIM-WG можно изготовить за считанные минуты, что обеспечивает другой уровень гибкости при прототипировании и производстве.

Потенциал применения

Наиболее важным применением SPIM-WG является преобразование оптических мод. Теоретически SPIM-WG могут обеспечить возможности преобразования оптических мод для любых произвольных форм, ограниченных только дифракционно-ограниченным размером изготавливаемого лазерного фокуса. SPIM-WG могут легко выполнять преобразование между гауссовыми режимами освещения, эллиптическими режимами освещения, двухлепестковым режимом TE01 и кольцевым режимом TE01. Эти моды появляются в широком спектре оптоэлектронных микросхем.

Одно из наиболее важных применений в преобразовании мод — между волноводами pp-KTP и одномодовым волокном, соединяющим квантовые источники света и квантовые чипы. В настоящее время волновод pp-KTP в квантовом источнике света должен быть напрямую подключен к одномодовому волокну, которое теряет около 25-30% интенсивности света. Если для шунтирования используется волновод преобразования мод, изготовленный SPIM-WG, ожидается, что потери интенсивности света могут быть снижены ниже 10%. Это значительно повысит эффективность большинства квантовых чипов.

Кроме того, на основе функциональности преобразования мод SPIM-WG могут быть подключены к одномодовому волокну с эффективностью связи до 95%. Это позволяет легко комбинировать устройства SPIM-WG с большинством существующих фотонных устройств.

Установлено, что волноводы прямоугольного сечения, закрученные на 90 градусов, можно использовать даже для управления поляризацией света. Это также открывает большие перспективы для многих фотонных и квантовых приложений.

Ссылки по теме:

• Источник: Phys.org