I ricercatori hanno creato un chip fotonico integrato in carburo di silicio (SiC) che può essere sintonizzato termicamente applicando un segnale elettrico. L'approccio potrebbe un giorno essere utilizzato per creare una vasta gamma di dispositivi riconfigurabili come sfasatori e accoppiatori ottici sintonizzabili necessari per le applicazioni di rete e l'elaborazione delle informazioni quantistiche.

Sebbene la maggior parte dei chip ottici e per computer siano fatti di silicio, c'è un crescente interesse per SiC perché mostra una migliore termica, proprietà elettriche e meccaniche rispetto al silicio pur essendo biocompatibile e operando a lunghezze d'onda dal visibile all'infrarosso.

Nella rivista The Optical Society (OSA) Lettere di ottica , i ricercatori guidati da Ali Adibi del Georgia Institute of Technology spiegano in dettaglio come hanno integrato un microriscaldatore e un dispositivo ottico chiamato risonatore a microanello su un chip SiC. Il risultato rappresenta il primo switch ottico SiC completamente integrato e sintonizzabile termicamente che opera a lunghezze d'onda del vicino infrarosso.

"Dispositivi come quello che dimostriamo in questo lavoro possono essere utilizzati come elementi costitutivi per i dispositivi di elaborazione delle informazioni quantistiche di prossima generazione e per creare sensori e sonde biocompatibili, ", ha detto il primo autore del giornale Xi Wu.

Il SiC è particolarmente interessante per le applicazioni di comunicazione e calcolo quantistico perché presenta difetti che possono essere controllati otticamente e manipolati come bit quantistici, o qubit. L'informatica e la comunicazione quantistica promettono di essere significativamente più veloci dell'informatica tradizionale nella risoluzione di determinati problemi perché i dati sono codificati in qubit che possono trovarsi in qualsiasi combinazione di due stati contemporaneamente, consentendo l'esecuzione simultanea di molti processi.

Produzione a livello di wafer

Il nuovo lavoro si basa sul precedente sviluppo dei ricercatori di una piattaforma chiamata SiC-on-insulator cristallino che supera alcune delle fragilità e altri inconvenienti delle piattaforme SiC precedentemente segnalate, fornendo un percorso facile e affidabile per l'integrazione con i dispositivi elettronici.

"La piattaforma SiC-on-insulator lanciata dal nostro gruppo è simile alla tecnologia silicio-on-insulator ampiamente utilizzata nell'industria dei semiconduttori per una varietà di applicazioni, " ha detto Tianren Fan, membro del gruppo di ricerca. "Consente la produzione a livello di wafer di dispositivi SiC, aprendo la strada alla commercializzazione di soluzioni integrate di elaborazione delle informazioni quantistiche fotoniche basate su SiC, " ha detto Ali A. Eftekhar, membro del gruppo di ricerca.

Lo sfruttamento completo delle capacità uniche della nuova piattaforma ha richiesto lo sviluppo della capacità di regolare le sue proprietà ottiche in modo che un'unica struttura basata su chip possa essere utilizzata per fornire funzioni diverse. I ricercatori hanno raggiunto questo obiettivo utilizzando l'effetto termo-ottico in cui il cambiamento della temperatura di un materiale ne modifica le proprietà ottiche, come l'indice di rifrazione.

Hanno iniziato fabbricando minuscole cavità ottiche a forma di anello, o risonatori a microanelli, utilizzando la tecnologia cristallina SiC-on-insulator. In ogni risonatore, luce a determinate lunghezze d'onda, chiamate le sue lunghezze d'onda di risonanza, viaggiare intorno all'anello aumenterà la forza attraverso l'interferenza costruttiva. Il risonatore può quindi essere utilizzato per controllare l'ampiezza e la fase della luce in una guida d'onda ad essa accoppiata. Per creare un risonatore sintonizzabile con un alto grado di controllo, i ricercatori hanno fabbricato riscaldatori elettrici sopra i microanelli. Quando viene applicata una corrente elettrica al microriscaldatore integrato, aumenta localmente la temperatura del microanello di SiC e quindi ne modifica le lunghezze d'onda di risonanza grazie all'effetto termo-ottico.

Test del dispositivo integrato

I ricercatori hanno testato le prestazioni dei risonatori a microring integrati e dei microriscaldatori applicando diversi livelli di energia elettrica e quindi misurando la trasmissione ottica della guida d'onda accoppiata al risonatore a microring. I loro risultati hanno mostrato che è possibile ottenere risonatori di alta qualità con sintonizzabilità termica a bassa potenza attraverso un dispositivo robusto che può essere prodotto utilizzando processi di fonderia di semiconduttori esistenti.

"In combinazione con altre caratteristiche uniche della nostra piattaforma SiC su isolante cristallino, questi dispositivi di alta qualità hanno i requisiti di base per abilitare nuovi dispositivi chip-scale che operano in un'ampia gamma di lunghezze d'onda, " disse Alì Adibi, il capo squadra. "Questa sintonizzabilità su scala di chip è essenziale per eseguire operazioni quantistiche necessarie per il calcolo e la comunicazione quantistici. Inoltre, a causa della biocompatibilità del SiC, potrebbe essere molto utile per il biorilevamento in vivo".

I ricercatori stanno ora lavorando per costruire elementi con la piattaforma cristallina SiC-on-insulator per circuiti integrati fotonici quantistici, inclusi laser a pompa su chip, sorgenti di fotoni singoli e rilevatori di fotoni singoli che potrebbero essere utilizzati con il risonatore microring sintonizzabile per creare un chip completamente funzionale per il calcolo quantistico ottico avanzato.

Questo lavoro è il risultato di tre anni di ricerche approfondite nella creazione di una piattaforma ibrida affidabile con proprietà del materiale SiC notevolmente migliorate e nell'utilizzo per la realizzazione di dispositivi innovativi. Xi Wu, Tianren Fan, e Ali A. Eftekhar nel gruppo di ricerca di Ali Adibi hanno contribuito immensamente a questo lavoro. Hesam Moradinejad, un ex membro del gruppo di ricercatori di Adibi, ha anche contribuito allo sviluppo della piattaforma (pubblicata in precedenza). Questo lavoro è stato finanziato principalmente dall'Ufficio per la ricerca scientifica dell'Aeronautica Militare (AFOSR) con il numero di concessione FA9550-15-1-0342 (G. Pomrenke).