Uno degli elementi più importanti nei chip fotonici o chip quantistici è la guida d'onda ottica. Tuttavia, a causa delle limitazioni nei metodi di fabbricazione esistenti, è difficile produrre in modo efficiente guide d'onda con un controllo ad alta precisione della forma e delle dimensioni della sezione trasversale 3D. Per risolvere questo difficile problema, gli scienziati dell'Università di Oxford hanno sviluppato una nuova tecnica di fabbricazione della guida d'onda, in grado di produrre rapidamente guide d'onda in un chip con sezioni trasversali 3D controllate con precisione, che mostrano anche un comportamento mutevole lungo la guida d'onda. Le guide d'onda sono state dimostrate con perdite molto basse e mostrano grandi promesse per i chip fotonici o quantistici.

Sfondo

Con l'avanzare dell'industria dei semiconduttori, il tradizionale circuito integrato elettronico si sta avvicinando al suo limite in termini di larghezza di banda e consumo di energia. Rispetto ai circuiti integrati elettronici, i circuiti integrati fotonici mostrano una minore perdita di trasmissione, una larghezza di banda più ampia e un ritardo di tempo inferiore. D'altra parte, il rapido sviluppo della tecnologia quantistica negli ultimi decenni indica che i chip quantistici promettono di sostituire in futuro alcuni aspetti dei tradizionali circuiti integrati elettronici.

È noto che l'unità base del circuito integrato elettronico è il diodo a semiconduttore. Come i circuiti integrati elettronici, i chip optoelettronici o i chip quantistici hanno i loro componenti di base. Tra questi componenti di base, la guida d'onda ottica su scala micrometrica è uno degli elementi più importanti. Basate sull'accoppiamento d'onda evanescente, le guide d'onda ottiche adiacenti possono realizzare un'elaborazione del segnale programmabile, fornendo funzioni indispensabili per i chip quantistici/fotonici.

A causa delle precedenti limitazioni nella tecnologia di fabbricazione, le guide d'onda ottiche di dimensioni micron sono state limitate a sezioni trasversali quadrate, ellittiche e circolari bidimensionali. Al momento, ci sono opzioni tecnologiche limitate in grado di produrre in modo efficiente guide d'onda con una bassa perdita e una precisa variazione della sezione trasversale 3D. Ciò impone molte limitazioni alle funzionalità e all'efficienza dei chip fotonici e quantistici.

La tecnologia SPIM-WG

In un nuovo articolo pubblicato su Light Science &Application , il Dr. Bangshan Sun, il Prof. Martin J. Booth e un team di scienziati dell'Università di Oxford, hanno collaborato con la Prof. Alina Karabchevsky di Israele, il Prof. Alexander Jesacher dell'Austria e il Prof. Ian A. Walmsley dell'Imperial College London , hanno sviluppato una nuova tecnologia denominata "SPIM-WGs". Con questa tecnica, le guide d'onda ottiche con sezioni trasversali 3D a variazione continua possono essere fabbricate in modo efficiente in un chip. Le guide d'onda ottiche sviluppate sulla base di questa tecnologia non solo hanno prestazioni superiori rispetto alle guide d'onda tradizionali, ma offrono anche diverse nuove funzionalità, aprendo la strada ai futuri chip fotonici e quantistici.

Basata sull'ottica adattiva, il più grande punto di forza della tecnologia è che può produrre in modo efficiente guide d'onda a bassa perdita con sezioni trasversali variabili, come circolari, quadrate, anulari o molte altre forme complicate. La precisione nel controllo della sezione trasversale in ciascun asse può scendere a centinaia di nanometri. Per una singola guida d'onda, la forma della sezione trasversale può variare lungo la guida d'onda stessa. Ad esempio, possono essere attorcigliati, variando da quadrati a circolari, o da circolari ad anelli, e così via.

Vale la pena ricordare che la guida d'onda mostra perdite di trasmissione molto basse durante il preciso cambio di morfologia. Basata sul substrato di vetro, la guida d'onda ha una perdita di trasmissione di circa -0,14 dB/cm, il che significa che solo il 3% circa della potenza ottica viene perso quando si trasmette 1 cm attraverso il chip. I risultati sperimentali mostrano che la perdita di trasmissione aggiuntiva causata dalla variazione della sezione trasversale è quasi trascurabile.

Degno di nota è anche il costo del tempo per realizzare le guide d'onda. Ad esempio, il metodo tradizionale silice su silicio (SoS) impiega circa un mese o più per produrre guide d'onda dalla preparazione. In confronto, gli SPIM-WG possono essere prodotti in pochi minuti, il che offre un diverso livello di flessibilità nella prototipazione e nella produzione.

Potenziale di applicazione

L'applicazione più importante di SPIM-WG è la conversione in modalità ottica. In teoria, gli SPIM-WG possono fornire le capacità di conversione della modalità ottica per qualsiasi forma arbitraria, limitata solo dalla dimensione limitata della diffrazione del fuoco di fabbricazione del laser. Gli SPIM-WG possono facilmente convertire tra modalità di luce gaussiana, modalità di luce ellittica, modalità a doppio lobo TE01 e modalità ad anello TE01. Queste modalità sono presenti in un'ampia gamma di chip optoelettronici.

Un'applicazione più importante nella conversione di modalità è tra guide d'onda pp-KTP e fibra monomodale, che collegano sorgenti di luce quantistica e chip quantistici. Al momento, la guida d'onda pp-KTP nella sorgente di luce quantistica deve essere collegata direttamente a una fibra monomodale, che perde circa il 25-30% dell'intensità della luce. Se per il bridging viene utilizzata la guida d'onda di conversione della modalità realizzata da SPIM-WG, si prevede che la perdita di intensità luminosa possa essere ridotta al di sotto del 10%. Ciò migliorerebbe notevolmente l'efficienza della maggior parte dei chip quantistici.

Inoltre, in base alla funzionalità di conversione della modalità, gli SPIM-WG possono essere collegati a una fibra monomodale con un'efficienza di accoppiamento fino al 95%. Ciò consente ai dispositivi SPIM-WG di essere facilmente combinati con la maggior parte dei dispositivi fotonici esistenti.

Si è scoperto che le guide d'onda con sezioni trasversali rettangolari intrecciate a 90 gradi possono essere utilizzate anche per controllare la polarizzazione della luce. Questo è anche molto promettente per molte applicazioni fotoniche e quantistiche. + Esplora ulteriormente

Controllo di stati meccanici non classici in un'architettura di guida d'onda fononica