Los avances sientan las bases para dispositivos miniaturizados para espectroscopia, comunicaciones y… Estadísticas cuantitativas.

Los investigadores han creado resonadores fotónicos basados ​​en chips que operan en las regiones ultravioleta y visible del espectro y exhiben pérdidas récord en luz ultravioleta. Los nuevos resonadores sientan las bases para un mayor tamaño, complejidad y precisión de diseño de los circuitos integrados fotónicos UV (PIC), que podrían permitir nuevos dispositivos miniaturizados basados ​​en chips para aplicaciones como la detección espectral, las comunicaciones submarinas y el procesamiento de información cuántica.

“En comparación con campos bien establecidos como la fotónica de las comunicaciones y la fotónica visible, la fotónica ultravioleta está menos explorada, aunque se requieren longitudes de onda ultravioleta para alcanzar ciertas transiciones atómicas en maíz“Computación cuántica basada en iones y excitación de moléculas fluorescentes específicas para detección bioquímica”, dijo el miembro del equipo de investigación Chengxing He de la Universidad de Yale. “Nuestro trabajo sienta una buena base para construir circuitos fotónicos que funcionen en longitudes de onda UV”.

Avances técnicos en imágenes UV.

En la revista Grupo Editorial Óptica Óptica ExpressLos investigadores describen la microfotónica basada en alúmina y cómo lograron una baja pérdida sin precedentes en longitudes de onda UV combinando el material adecuado con un diseño y fabricación optimizados.

Los investigadores han creado un resonador toroidal basado en un chip que opera en las regiones ultravioleta y visible del espectro y exhibe una pérdida de UV récord. El resonador (pequeño círculo en el medio) aparece con luz azul. Crédito: Ching-Shing He, Universidad de Yale

“Nuestro trabajo muestra que las imágenes ultravioleta han alcanzado un punto crítico en el que la pérdida de luz de las guías de ondas ya no es mucho peor que la de sus homólogos visibles”, afirmó Hong Tang, líder del equipo de investigación. “Esto significa que todas las estructuras PIC interesantes desarrolladas para longitudes de onda visibles y de comunicaciones, como peines de frecuencia y bloqueo por inyección, también se pueden aplicar a longitudes de onda UV”.

Reducir la pérdida de luz

Los microresonadores se fabricaron a partir de películas delgadas de alúmina de alta calidad que los coautores Carlo Waldfried y John Fei Zheng de Entegris Inc. Preparado mediante un proceso de deposición de capas atómicas (ALD) altamente escalable. La gran banda prohibida de la alúmina, de aproximadamente 8 eV, la hace transparente a los fotones UV, que tienen una energía mucho menor (aproximadamente 4 eV) que la banda prohibida. Por tanto, este material no absorbe longitudes de onda ultravioleta.

“El récord anterior se logró con nitruro de aluminio, que tiene un alcance de aproximadamente 6 voltios”, dijo. “En comparación con el nitruro de aluminio monocristalino, la alúmina ALD amorfa tiene menos defectos y es menos difícil de fabricar, lo que nos ayudó a lograr menores pérdidas”.

Para crear los microresonadores, los investigadores grabaron alúmina para crear lo que se conoce como una guía de ondas de nervaduras, donde una placa con una tira en la parte superior crea una estructura que atrapa la luz. A medida que la costilla se hace más profunda, el confinamiento se vuelve más fuerte pero la pérdida de dispersión también se hace más fuerte. Utilizaron la simulación para encontrar la profundidad de grabado adecuada para lograr el confinamiento de luz deseado y al mismo tiempo minimizar la pérdida por dispersión.

Hacer resonadores de anillo

Los investigadores aplicaron lo que aprendieron de las guías de ondas para crear resonadores toroidales con un radio de 400 micrones. Descubrieron que la pérdida de radiación se puede suprimir a menos de 0,06 dB/cm a 488,5 nm y a menos de 0,001 dB/cm a 390 nm cuando la profundidad de grabado es superior a 80 nm en una película de alúmina de 400 nm de espesor.

Después de fabricar resonadores toroidales basándose en estos cálculos, los investigadores determinaron sus factores Q midiendo el ancho de los picos de resonancia mientras escaneaban la frecuencia de la luz inyectada en el resonador. Encontraron un factor de calidad estándar (Q) de 1,5 × 10⁶ a 390 nm (en la porción UV del espectro) y un factor Q de 1,9 x 10⁶ A 488,5 nm (longitud de onda de la luz azul visible). Los factores Q más altos indican una menor pérdida de luz.

“En comparación con las imágenes ultravioleta en longitudes de onda visibles o de comunicaciones, las imágenes ultravioleta pueden encontrar una ventaja en las comunicaciones debido a su mayor ancho de banda o en condiciones donde se absorben otras longitudes de onda, como bajo el agua”, dijo. “Además, el hecho de que el proceso de deposición de capas atómicas utilizado para crear alúmina sea compatible con CMOS allana el camino para la integración de CMOS con fotónica amorfa basada en alúmina”.

perspectivas de futuro

Los investigadores ahora están trabajando en el desarrollo de resonadores toroidales basados ​​en alúmina que puedan sintonizarse para operar en diferentes longitudes de onda. Esto se puede utilizar para lograr un control preciso de la longitud de onda o para crear moduladores utilizando dos resonadores que interfieren entre sí. También quieren desarrollar una fuente de luz UV PIC integrada para formar un sistema UV completo basado en PIC.

Referencia: “Microrresonadores ópticos de alúmina ultrafina en las bandas UV y azul” por Chengxing He, Yubo Wang, Carlo Waldfried, Guangcanlan Yang, Jun-Fei Zheng, Shu Hu y Hong X. Tang, 26 de septiembre de 2023. Óptica Express.
doi: 10.1364/OE.492510