Forscher stellen optische Resonatoren auf Chipbasis mit rekordniedrigen UV-Verlusten her

Forscher haben chipbasierte photonische Resonatoren entwickelt, die im ultravioletten (UV) und sichtbaren Bereich des Spektrums arbeiten und einen rekordniedrigen UV-Lichtverlust aufweisen. Die neuen Resonatoren legen den Grundstein für die Vergrößerung, Komplexität und Genauigkeit des Designs von UV-photonischen integrierten Schaltkreisen (PIC), was neue miniaturisierte Chip-basierte Geräte für Anwendungen wie spektroskopische Sensorik, Unterwasserkommunikation und Quanteninformationsverarbeitung ermöglichen könnte.

„Im Vergleich zu den besser etablierten Bereichen wie der Telekommunikationsphotonik und der sichtbaren Photonik ist die UV-Photonik weniger erforscht, obwohl UV-Wellenlängen benötigt werden, um bestimmte atomare Übergänge im atom-/ionenbasierten Quantencomputing zu erreichen und bestimmte fluoreszierende Moleküle für die biochemische Erfassung anzuregen.“ sagte Forschungsteammitglied Chengxing He von der Yale University. „Unsere Arbeit schafft eine gute Grundlage für den Aufbau photonischer Schaltkreise, die bei UV-Wellenlängen arbeiten.“

In Optik-Expressbeschreiben die Forscher die auf Aluminiumoxid basierenden optischen Mikroresonatoren und wie sie durch die Kombination des richtigen Materials mit optimiertem Design und Herstellung einen beispiellos geringen Verlust bei UV-Wellenlängen erreichten.

„Unsere Arbeit zeigt, dass UV-PICs einen kritischen Punkt erreicht haben, an dem der Lichtverlust bei Wellenleitern nicht mehr wesentlich schlimmer ist als bei ihren sichtbaren Gegenstücken“, sagte Hong Tang, Leiter des Forschungsteams. „Das bedeutet, dass alle interessanten PIC-Strukturen, die für sichtbare und Telekommunikationswellenlängen entwickelt wurden, wie Frequenzkämme und Injektionsverriegelung, auch auf UV-Wellenlängen angewendet werden können.“

Weniger Lichtverlust

Die Mikroresonatoren wurden aus hochwertigen Aluminiumoxid-Dünnfilmen hergestellt, die die Co-Autoren Carlo Waldfried und Jun-Fei Zheng von Entegris Inc. mithilfe eines hoch skalierbaren Atomlagenabscheidungsverfahrens (ALD) hergestellt hatten. Die große Bandlücke von Aluminiumoxid von ca. 8 eV macht es transparent für UV-Photonen, die eine viel niedrigere Energie (ca. 4 eV) als die Bandlücke haben. Daher werden UV-Wellenlängen von diesem Material nicht absorbiert.

„Der bisherige Rekord wurde mit Aluminiumnitrid erreicht, das eine Bandlücke von etwa 6 eV aufweist“, sagte er. „Im Vergleich zu einkristallinem Aluminiumnitrid weist amorphes ALD-Aluminiumoxid weniger Defekte auf und ist weniger anspruchsvoll in der Herstellung, was uns dabei geholfen hat, geringere Verluste zu erzielen.“

Um die Mikroresonatoren herzustellen, haben die Forscher das Aluminiumoxid geätzt, um einen sogenannten Rippenwellenleiter zu erzeugen, bei dem eine Platte mit einem Streifen oben die lichtbegrenzende Struktur erzeugt. Je tiefer die Rippe wird, desto stärker wird der Einschluss, aber auch der Streuverlust. Mithilfe von Simulationen fanden sie genau die richtige Ätztiefe, um den erforderlichen Lichteinschluss zu erreichen und gleichzeitig den Streuverlust zu minimieren.

Herstellung von Ringresonatoren

Die Forscher nutzten ihre Erkenntnisse aus Wellenleitern, um Ringresonatoren mit einem Radius von 400 Mikrometern zu schaffen. Sie fanden heraus, dass der Strahlungsverlust bei 488,5 nm auf weniger als 0,06 dB/cm und bei 390 nm auf weniger als 0,001 dB/cm gesenkt werden kann, wenn die Ätztiefe in einem 400 nm dicken Aluminiumoxidfilm mehr als 80 nm beträgt.

Nachdem die Forscher auf der Grundlage dieser Berechnungen Ringresonatoren hergestellt hatten, bestimmten sie deren Gütefaktoren, indem sie die Breite der Resonanzspitzen maßen, während sie die in den Resonator eingespeiste Lichtfrequenz scannten. Sie fanden einen rekordverdächtigen Qualitätsfaktor (Q) von 1,5 × 106 bei 390 nm (im UV-Teil des Spektrums) und einen Q-Faktor von 1,9 × 106 bei 488,5 nm (einer Wellenlänge für sichtbares blaues Licht). Höhere Q-Faktoren weisen auf einen geringeren Lichtverlust hin.

„Im Vergleich zu PICs im sichtbaren oder Telekommunikationswellenlängenbereich können UV-PICs aufgrund der größeren Bandbreite oder unter Bedingungen, in denen andere Wellenlängen absorbiert werden, beispielsweise unter Wasser, in der Kommunikation einen Vorteil haben“, sagte He. „Außerdem ebnet die Tatsache, dass der zur Herstellung des Aluminiumoxids verwendete Atomlagenabscheidungsprozess CMOS-kompatibel ist, den Weg für die CMOS-Integration mit Photonik auf der Basis von amorphem Aluminiumoxid.“

Die Forscher arbeiten nun an der Entwicklung von Ringresonatoren auf Aluminiumoxidbasis, die so abgestimmt werden können, dass sie mit verschiedenen Wellenlängen arbeiten. Dies könnte genutzt werden, um eine präzise Wellenlängensteuerung zu erreichen oder Modulatoren zu schaffen, indem zwei Resonatoren verwendet werden, die miteinander interferieren. Sie wollen außerdem eine PIC-integrierte UV-Lichtquelle entwickeln, um ein komplettes PIC-basiertes UV-System zu bilden.