มหาวิทยาลัยเยล: การสูญเสียแสงอัลตราไวโอเลตของเครื่องสะท้อนโฟโตนิกระดับชิปถึงระดับต่ำสุดใหม่

ด้วยบทบาทสำคัญของโฟโตนิกส์ในการสื่อสารข้อมูลและคอมพิวเตอร์ควอนตัม การวิจัยในสาขาแสงอัลตราไวโอเลตจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง ทีมวิจัยที่มหาวิทยาลัยเยลประสบความสำเร็จในการสร้างเครื่องสะท้อนโฟโตนิกที่ใช้ชิปซึ่งทำงานในรังสีอัลตราไวโอเลต (UV) ไปจนถึงสเปกตรัมแสงที่มองเห็นได้ และแสดงการสูญเสียแสงยูวีต่ำอย่างที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อน เครื่องสะท้อนเสียงใหม่นี้มอบรากฐานที่มั่นคงสำหรับการขยายขนาดการออกแบบ ความซับซ้อน และความเที่ยงตรงของวงจรรวมโฟโตนิกอัลตราไวโอเลต (PIC) และคาดว่าจะเพิ่มความก้าวหน้าในการใช้งานอุปกรณ์ที่ใช้ไมโครชิปในการตรวจจับสเปกตรัม การสื่อสารใต้น้ำ และการประมวลผลข้อมูลควอนตัม

เครื่องสะท้อนเสียงแบบวงแหวนขนาดชิปดังแสดงในรูปที่ 1 ทำงานในช่วงอัลตราไวโอเลตจนถึงสเปกตรัมที่มองเห็นได้ และมีการสูญเสียแสง UV ต่ำเป็นประวัติการณ์ ตัวสะท้อนเสียง (วงกลมเล็กๆ ตรงกลาง) จะแสดงเป็นแสงสีน้ำเงิน

เฉิงซิง เหอ สมาชิกทีมวิจัยที่มหาวิทยาลัยเยล กล่าวว่า "เมื่อเปรียบเทียบกับโฟโตนิกส์โทรคมนาคมและโฟโตนิกที่มองเห็นได้ค่อนข้างครบกำหนด การวิจัยโฟโตนิกอัลตราไวโอเลตยังค่อนข้างน้อย อย่างไรก็ตาม เมื่อพิจารณาถึงความจำเป็นในการใช้ความยาวคลื่นอัลตราไวโอเลตในการคำนวณควอนตัมที่ใช้อะตอม/ไอออน เพื่อจัดการการเปลี่ยนสถานะของอะตอมและกระตุ้นโมเลกุลฟลูออเรสเซนต์เฉพาะสำหรับการตรวจจับทางชีวเคมี การสำรวจในบริเวณนี้มีคุณค่าอย่างยิ่ง การวิจัยของเราวางรากฐานที่สำคัญสำหรับการสร้างวงจรโฟโตนิกความยาวคลื่นอัลตราไวโอเลต"

ในรายงานนี้ นักวิจัยได้บรรยายถึงเครื่องสะท้อนเสียงขนาดเล็กแบบออพติคอลที่ใช้อลูมินา และวิธีที่พวกเขาประสบความสูญเสียต่ำอย่างที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อนที่ความยาวคลื่นอัลตราไวโอเลต โดยการผสมผสานวัสดุที่เหมาะสมเข้ากับการออกแบบและการประดิษฐ์ที่เหมาะสมที่สุด

Hong Tang ผู้นำทีมวิจัยกล่าวว่า "งานวิจัยของเราแสดงให้เห็นว่าวงจรรวมโฟโตนิกอัลตราไวโอเลต (UV PICs) มาถึงจุดเปลี่ยนแล้ว ซึ่งการสูญเสียแสงไม่รุนแรงในสเปกตรัมอัลตราไวโอเลตมากกว่าในบริเวณที่มองเห็นได้ ซึ่งหมายความว่า โครงสร้าง PIC ขั้นสูงทั้งหมดที่ก่อนหน้านี้พัฒนาขึ้นสำหรับความยาวคลื่นที่มองเห็นได้และโทรคมนาคม เช่น หวีความถี่และเทคโนโลยีการล็อคการฉีด สามารถขยายไปสู่รังสีอัลตราไวโอเลตได้แล้ว ความยาวคลื่น"

ดอย: https://doi.org/10.1364/OE.492510

อลูมินาไมโครเรโซเนเตอร์: ลดการสูญเสียแสง

รูปภาพ

เครื่องสะท้อนเสียงขนาดเล็กถูกสร้างขึ้นจากฟิล์มอลูมินาคุณภาพสูงที่เตรียมโดยผู้ร่วมเขียน Integris Carlo Waldfried และ Jun-Fei Zheng โดยใช้เทคโนโลยีการสะสมชั้นอะตอม (ALD) ขั้นสูง อลูมินามีช่องว่างแถบแถบขนาดใหญ่ (ประมาณ 8 eV) ทำให้โปร่งใสเมื่อมีโฟตอนที่อัลตราไวโอเลตพลังงานต่ำ (ประมาณ 4 eV) ดังนั้นวัสดุจึงไม่ดูดซับแสงอัลตราไวโอเลต

สถิติก่อนหน้านี้ทำได้โดยใช้อะลูมิเนียมไนไตรด์โดยมีช่องว่างแถบประมาณ 6 eV ชั้นอะตอมอสัณฐานที่สะสมไว้กับอลูมินาต่างจากอะลูมิเนียมไนไตรด์แบบผลึกเดี่ยวซึ่งมีข้อบกพร่องน้อยกว่า ผลิตได้ง่ายกว่า และมีการสูญเสียแสงน้อยกว่า

ในระหว่างการสร้างไมโครเรโซเนเตอร์ นักวิจัยได้แกะสลักอะลูมิเนียมออกไซด์เพื่อสร้างโครงสร้างที่เรียกกันทั่วไปว่า "ท่อนำคลื่นแบบซี่โครง" ท่อนำคลื่นแบบซี่โครงนี้ แถบแคบๆ ที่ด้านบนก่อให้เกิดโครงสร้างที่จำกัดการแพร่กระจายของแสง ยิ่งซี่โครงของท่อนำคลื่นลึกเท่าใด ข้อจำกัดของแสงก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น แต่ยังหมายถึงการสูญเสียการกระเจิงจะเพิ่มขึ้นด้วย เพื่อปรับโครงสร้างให้เหมาะสม พวกเขาใช้เทคนิคการจำลองเพื่อกำหนดความลึกของการกัดที่เหมาะสมที่สุด โดยมีเป้าหมายเพื่อให้ได้การจำกัดลำแสงในอุดมคติ ในขณะเดียวกันก็ลดการสูญเสียการกระเจิงให้เหลือน้อยที่สุด

เครื่องสะท้อนเสียงแบบวงแหวน: การประเมินประสิทธิภาพและโอกาสในการบูรณาการ

รูปภาพ

ทีมวิจัยได้ใช้ประสบการณ์ที่ได้รับจากการศึกษาท่อนำคลื่นเพื่อสร้างเครื่องสะท้อนเสียงแบบวงแหวนที่มีรัศมี 400 μm พวกเขาสังเกตเห็นว่าบนฟิล์มอลูมิเนียมออกไซด์ที่มีความหนา 400 นาโนเมตร เมื่อความลึกของการกัดมากกว่า 80 นาโนเมตร การสูญเสียการแผ่รังสีจะลดลงเหลือน้อยกว่า 0.06 เดซิเบล/ซม. ที่ 488.5 นาโนเมตร และ 0.001 เดซิเบล/ซม. ที่ 390 นาโนเมตร

บนเครื่องสะท้อนเสียงแบบวงแหวนที่สร้างขึ้นตามพารามิเตอร์เหล่านี้ นักวิจัยได้ประเมินปัจจัยด้านคุณภาพ Q โดยการวัดความกว้างสูงสุดของเสียงสะท้อน และสแกนความถี่แสงของเครื่องสะท้อนเสียง ผลการวิจัยพบว่าปัจจัยด้านคุณภาพสูงถึง 1.5×106 ที่ความยาวคลื่น 390 นาโนเมตร (ช่วง UV) และ 1.9×106 ที่ 488.5 นาโนเมตร (ช่วงสีน้ำเงินที่มองเห็นได้) (ปัจจัยคุณภาพที่สูงขึ้นหมายถึงการสูญเสียแสงน้อยลง)

เมื่อเปรียบเทียบกับ PIC ที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับแสงที่มองเห็นหรือความยาวคลื่นโทรคมนาคม UV PIC อาจมีข้อได้เปรียบในด้านการสื่อสารเนื่องจากมีแบนด์วิธที่กว้างกว่าหรือถูกดูดซับได้น้อยกว่าภายใต้เงื่อนไขบางประการ เช่น ใต้น้ำ ที่น่าสังเกตยิ่งกว่านั้นคือเทคโนโลยีการสะสมชั้นอะตอมสำหรับการผลิตอลูมินาเข้ากันได้กับเทคโนโลยี CMOS ซึ่งสร้างความเป็นไปได้ของการหลอมรวมของ CMOS และโฟโตนิกอลูมินาอสัณฐาน

ปัจจุบัน นักวิจัยกำลังทำงานเพื่อพัฒนาตัวสะท้อนเสียงแบบวงแหวนที่ใช้อลูมินา ซึ่งสามารถปรับให้เข้ากับความยาวคลื่นหลายระดับได้ ซึ่งจะช่วยให้บรรลุการควบคุมความยาวคลื่นที่แม่นยำ หรือพัฒนาโมดูเลเตอร์โดยใช้รีโซเนเตอร์ที่มีปฏิสัมพันธ์สองตัว นอกจากนี้ พวกเขาวางแผนที่จะพัฒนาแหล่งกำเนิดแสง UV ที่รวมอยู่ใน PIC เพื่อสร้างระบบ UV ที่ใช้ Pic ที่สมบูรณ์

แสงอัลตราไวโอเลตระดับสูงสุด (EUV) เป็นภูมิภาคย่อยในช่วงอัลตราไวโอเลต (UV) ที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าภูมิภาคย่อยของ UV อื่นๆ และมักใช้สำหรับการใช้งานทางเทคนิคที่มีความแม่นยำสูง เพื่อที่จะปรับปรุงระดับการวิจัยของจีนในสาขาวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี และการประยุกต์ใช้ที่เกี่ยวข้องกับแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตสุดขีด และส่งเสริมการพัฒนาที่ครอบคลุมของแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตสุดขั้วสำหรับขอบเขตวิทยาศาสตร์ของโลก ความต้องการเชิงกลยุทธ์ระดับชาติ สนามรบหลักของเศรษฐกิจของประเทศ ข้อมูล และปัญญาประดิษฐ์ China Laser วางแผนที่จะเผยแพร่หัวข้อ "แหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตที่รุนแรงและการประยุกต์" ในฉบับที่ 7 (เดือนเมษายน) ของปี 2024 มุ่งเน้นไปที่ความก้าวหน้าและแนวโน้มการพัฒนาล่าสุด แหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตที่รุนแรงในการวิจัยและการประยุกต์ใช้ทางเทคนิค และส่งเสริมการฝึกอบรมผู้มีความสามารถคุณภาพสูงแบบคอมโพสิตและการสร้างสาขาวิชาที่เกี่ยวข้อง