Hochleistungs-Wellenleiterbauelemente für photonische Chips der nächsten Generation

Eines der wichtigsten Elemente in photonischen Chips oder Quantenchips ist der Lichtwellenleiter. Aufgrund von Einschränkungen bei bestehenden Herstellungsverfahren ist es jedoch schwierig, Wellenleiter mit hochpräziser Steuerung der 3D-Querschnittsform und -größe effizient herzustellen. Um dieses schwierige Problem zu lösen, haben Wissenschaftler der Universität Oxford eine neue Wellenleiter-Fertigungstechnik entwickelt, die schnell Wellenleiter in einem Chip mit präzise gesteuerten 3D-Querschnitten herstellen kann, die auch ein sich änderndes Verhalten entlang des Wellenleiters aufweisen. Die Wellenleiter wurden mit sehr geringen Verlusten demonstriert und sind vielversprechend für photonische oder Quantenchips.

Hintergrund

Mit dem Fortschritt der Halbleiterindustrie nähert sich die traditionelle elektronische integrierte Schaltung ihren Grenzen hinsichtlich Bandbreite und Energieverbrauch. Im Vergleich zu elektronischen integrierten Schaltungen weisen photonische integrierte Schaltungen einen geringeren Übertragungsverlust, eine größere Bandbreite und eine kleinere Zeitverzögerung auf. Andererseits deutet die rasante Entwicklung der Quantentechnologie in den letzten Jahrzehnten darauf hin, dass Quantenchips versprechen, in Zukunft einige Aspekte traditioneller elektronischer integrierter Schaltungen zu ersetzen.

Es ist allgemein bekannt, dass die Grundeinheit elektronischer integrierter Schaltungen eine Halbleiterdiode ist. Wie elektronische integrierte Schaltungen haben optoelektronische Chips oder Quantenchips ihre eigenen Grundkomponenten. Unter diesen Grundkomponenten ist der optische Wellenleiter im Mikrometerbereich eines der wichtigsten Elemente. Basierend auf der Kopplung evaneszenter Wellen können benachbarte optische Wellenleiter eine programmierbare Signalverarbeitung realisieren, die unverzichtbare Funktionen für die Quanten-/Photonik-Chips bereitstellt.

Aufgrund früherer Einschränkungen in der Herstellungstechnologie waren optische Wellenleiter in Mikrometergröße auf zweidimensionale quadratische, elliptische und kreisförmige Querschnitte beschränkt. Gegenwärtig gibt es begrenzte Technologieoptionen, mit denen Wellenleiter sowohl mit geringem Verlust als auch mit präziser 3D-Querschnittsvariation effizient hergestellt werden können. Dies erlegt den Funktionalitäten und der Effizienz von Photonik- und Quantenchips viele Einschränkungen auf.

Die SPIM-WGs-Technologie

In einem neuen Artikel, erschienen in Lichtwissenschaft & Anwendung, Dr. Bangshan Sun, Prof. Martin J. Booth und ein Team von Wissenschaftlern der Universität Oxford, arbeiteten mit Prof. Alina Karabchevsky aus Israel, Prof. Alexander Jesacher aus Österreich und Prof. Ian A. Walmsley vom Imperial College London zusammen , haben eine neue Technologie namens „SPIM-WGs“ entwickelt. Mit dieser Technik können Lichtwellenleiter mit kontinuierlich variablen 3D-Querschnitten effizient in einem Chip hergestellt werden. Basierend auf dieser Technologie entwickelte optische Wellenleiter haben nicht nur eine überlegene Leistung im Vergleich zu herkömmlichen Wellenleitern, sondern bringen auch mehrere neue Funktionen mit sich, die den Weg für zukünftige Photonik- und Quantenchips ebnen.

Basierend auf adaptiver Optik besteht das größte Highlight der Technologie darin, dass sie effizient verlustarme Wellenleiter mit variablen Querschnitten wie kreisförmigen, quadratischen, ringförmigen oder vielen anderen komplizierten Formen herstellen kann. Die Präzision bei der Steuerung des Querschnitts in jeder Achse kann bis auf Hunderte von Nanometern heruntergehen. Bei einem einzelnen Wellenleiter kann die Querschnittsform entlang des Wellenleiters selbst variieren. Beispielsweise können sie verdreht sein und von quadratisch zu kreisförmig oder von kreisförmig zu ringförmig usw. variieren.

Erwähnenswert ist, dass der Wellenleiter während der präzisen Morphologieänderung sehr geringe Übertragungsverluste aufweist. Bezogen auf das Glassubstrat hat der Wellenleiter eine Transmissionsdämpfung von ca. -0,14 dB/cm, was bedeutet, dass bei einer Übertragung von 1 cm durch den Chip nur ca. 3 % der optischen Leistung verloren gehen. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass der durch Querschnittsänderungen verursachte zusätzliche Übertragungsverlust nahezu vernachlässigbar ist.

Bemerkenswert ist auch der Zeitaufwand für die Herstellung der Wellenleiter. Zum Beispiel dauert das traditionelle Silica-on-Silicon (SoS)-Verfahren etwa einen Monat oder länger, um Wellenleiter von der Vorbereitung an herzustellen. Im Vergleich dazu können SPIM-WGs in wenigen Minuten hergestellt werden, was ein anderes Maß an Flexibilität bei Prototyping und Fertigung bietet.

Anwendungspotential

Die wichtigste Anwendung von SPIM-WGs ist die optische Modusumwandlung. Theoretisch können SPIM-WGs die Fähigkeiten der optischen Modenumwandlung für beliebige Formen bereitstellen, die nur durch die beugungsbegrenzte Größe des Herstellungslaserfokus begrenzt sind. SPIM-WGs können problemlos zwischen Gaußschen Lichtmodi, elliptischen Lichtmodi, Doppelkeulen-TE01- und Ring-TE01-Modi konvertieren. Diese Moden treten in einer breiten Palette von optoelektronischen Chips auf.

Eine der wichtigsten Anwendungen in der Modenumwandlung ist zwischen pp-KTP-Wellenleitern und Singlemode-Fasern, die Quantenlichtquellen und Quantenchips überbrücken. Derzeit muss der pp-KTP-Wellenleiter in der Quantenlichtquelle direkt mit einer Singlemode-Faser verbunden werden, die etwa 25-30% der Lichtintensität verliert. Wenn der von SPIM-WGs hergestellte Wellenleiter zur Modenumwandlung für die Überbrückung verwendet wird, wird erwartet, dass der Lichtintensitätsverlust auf unter 10 % reduziert werden kann. Dies würde die Effizienz der meisten Quantenchips erheblich verbessern.

Darüber hinaus können SPIM-WGs basierend auf der Funktionalität der Modenumwandlung mit einer Singlemode-Faser mit einer Kopplungseffizienz von bis zu 95 % verbunden werden. Dadurch können SPIM-WGs-Geräte problemlos mit den meisten vorhandenen photonischen Geräten kombiniert werden.

Es hat sich herausgestellt, dass Wellenleiter mit rechteckigem Querschnitt, die um 90 Grad verdreht sind, sogar verwendet werden können, um die Polarisation von Licht zu steuern. Dies ist auch für viele Photonik- und Quantenanwendungen vielversprechend.