جامعة ييل: فقدان الضوء فوق البنفسجي للرنانات الضوئية على نطاق الرقاقة وصل إلى مستوى منخفض جديد

مع الدور الرئيسي للضوئيات في اتصالات المعلومات والحوسبة الكمومية، فإن البحث في مجال الضوء فوق البنفسجي له أهمية خاصة. نجح فريق بحث في جامعة ييل في بناء مرنان ضوئي قائم على شريحة يعمل في نطاق الأشعة فوق البنفسجية إلى طيف الضوء المرئي ويظهر فقدانًا منخفضًا غير مسبوق للضوء فوق البنفسجي. يوفر هذا المرنان الجديد أساسًا متينًا لتوسيع حجم التصميم وتعقيده ودقته للدوائر المتكاملة الضوئية فوق البنفسجية (PIC)، ومن المتوقع أن يؤدي إلى تطوير تطبيق الأجهزة القائمة على الرقائق الدقيقة في الاستشعار الطيفي والاتصالات تحت الماء ومعالجة المعلومات الكمومية.

يعمل الرنان الحلقي على نطاق الرقاقة، الموضح في الشكل 1، في نطاق الأشعة فوق البنفسجية إلى الطيف المرئي ويحقق فقدانًا قياسيًا منخفضًا للضوء فوق البنفسجي. يظهر الرنان (دائرة صغيرة في المنتصف) باللون الأزرق.

قال Chengxing He، عضو فريق البحث في جامعة ييل: "مقارنة بفوتونيات الاتصالات الناضجة نسبيًا والضوئيات المرئية، لا يزال البحث في مجال الضوئيات فوق البنفسجية صغيرًا نسبيًا. ومع ذلك، وبالنظر إلى الحاجة إلى استخدام أطوال موجية فوق بنفسجية في الحوسبة الكمومية القائمة على الذرة/الأيون لمعالجة تحولات معينة في الحالة الذرية وتنشيط جزيئات الفلورسنت المحددة للاستشعار الكيميائي الحيوي، فإن الاستكشاف في هذا المجال مفيد للغاية. ويضع بحثنا أهمية كبيرة الأساس لبناء الدوائر الضوئية ذات الطول الموجي فوق البنفسجي."

في هذه الورقة، يصف الباحثون مرنانًا بصريًا دقيقًا يعتمد على الألومينا وكيف حققوا خسائر منخفضة غير مسبوقة عند الأطوال الموجية فوق البنفسجية من خلال الجمع بين المواد المناسبة مع التصميم والتصنيع الأمثل.

وقال هونغ تانغ، رئيس فريق البحث: "يظهر بحثنا أن الدوائر المتكاملة الضوئية فوق البنفسجية (UV PICs) قد وصلت الآن إلى نقطة تحول حيث لم يعد فقدان الضوء أكثر حدة في الطيف فوق البنفسجي منه في المنطقة المرئية. وهذا يعني أن جميع هياكل PIC المتقدمة التي تم تطويرها سابقًا للأطوال الموجية المرئية وموجات الاتصالات، مثل أمشاط التردد وتقنيات قفل الحقن، يمكن الآن أن تمتد إلى الأطوال الموجية فوق البنفسجية".

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

مرنان الألومينا الصغير: يقلل من فقدان الضوء

صورة

تم إنشاء الرنان الميكروي من فيلم ألومينا عالي الجودة تم إعداده بواسطة المؤلفين المشاركين في Integris Carlo Waldfried وJun-Fei Zheng باستخدام تقنية ترسيب الطبقة الذرية المتقدمة (ALD). تحتوي الألومينا على فجوة نطاق كبيرة (حوالي 8 فولت)، مما يجعلها شفافة لفوتونات الأشعة فوق البنفسجية ذات الطاقة المنخفضة (حوالي 4 فولت)، وبالتالي فإن المادة لا تمتص الضوء فوق البنفسجي.

تم تحقيق الرقم القياسي السابق باستخدام نيتريد الألومنيوم مع فجوة نطاق تبلغ حوالي 6 فولت. على عكس نيتريد الألومنيوم أحادي البلورة، فإن الطبقات الذرية غير المتبلورة المترسبة مع الألومينا لها عيوب أقل، وأسهل في الإنتاج، ولها فقدان أقل للضوء.

أثناء تصنيع الرنان الميكروي، قام الباحثون بحفر أكسيد الألومنيوم لتشكيل هيكل يشار إليه عادةً باسم "الدليل الموجي المضلع". في هذا الدليل الموجي المضلع، يشكل شريط ضيق في الأعلى بنية تحد من انتشار الضوء. كلما كان ضلع الدليل الموجي أعمق، كلما كان قيد الضوء أقوى، ولكن هذا يعني أيضًا أن خسارة التشتت تزداد. لتحسين الهيكل، استخدموا تقنيات المحاكاة لتحديد عمق الحفر الأمثل، بهدف تحقيق الحبس المثالي للشعاع مع تقليل خسائر التشتت.

الرنانات الحلقية: تقييم الأداء وآفاق التكامل

صورة

قام فريق البحث بتطبيق الخبرة التي اكتسبوها من دراسة الأدلة الموجية لتصنيع مرنان حلقي يبلغ نصف قطره 400 ميكرومتر. ولاحظوا أنه في أفلام أكسيد الألومنيوم التي يبلغ سمكها 400 نانومتر، عندما يصل عمق الحفر إلى أكثر من 80 نانومتر، ينخفض ​​فقدان الإشعاع إلى أقل من 0.06 ديسيبل/سم عند 488.5 نانومتر و0.001 ديسيبل/سم عند 390 نانومتر.

على مرنان حلقي تم تصميمه وفقًا لهذه المعلمات، قام الباحثون بتقييم عامل الجودة Q عن طريق قياس عرض ذروة الرنين ومسح التردد البصري للمرنان. أظهرت النتائج أن عامل الجودة يصل إلى 1.5×106 عند الطول الموجي 390 نانومتر (نطاق الأشعة فوق البنفسجية) و1.9×106 عند 488.5 نانومتر (المدى الأزرق المرئي) (عامل الجودة الأعلى يعني فقدان أقل للضوء).

بالمقارنة مع صور الأشعة فوق البنفسجية المصممة خصيصًا للضوء المرئي أو الأطوال الموجية للاتصالات، قد تتمتع صور الأشعة فوق البنفسجية بميزة في مجال الاتصالات بسبب عرض النطاق الترددي الأوسع أو سهولة امتصاصها في ظل ظروف معينة، مثل تحت الماء. والأهم من ذلك، أن تقنية ترسيب الطبقة الذرية لإنتاج الألومينا متوافقة مع تقنية CMOS، مما يخلق إمكانية اندماج CMOS وضوئيات الألومينا غير المتبلورة.

حاليًا، يعمل الباحثون على تطوير رنانات حلقية تعتمد على الألومينا والتي يمكن ضبطها على أطوال موجية متعددة. سيساعد ذلك على تحقيق تحكم دقيق في الطول الموجي، أو تطوير المعدِّلات باستخدام اثنين من الرنانات المتفاعلة. بالإضافة إلى ذلك، فإنهم يخططون لتطوير مصدر ضوء للأشعة فوق البنفسجية مدمج في الموافقة المسبقة عن علم لبناء نظام كامل للأشعة فوق البنفسجية قائم على الموافقة المسبقة عن علم.

الضوء فوق البنفسجي الشديد (EUV) هو منطقة فرعية في نطاق الأشعة فوق البنفسجية (UV) ذات طول موجي أقصر من المناطق الفرعية الأخرى للأشعة فوق البنفسجية وغالبًا ما تستخدم في التطبيقات التقنية عالية الدقة. من أجل تحسين مستوى البحث في الصين في مجالات العلوم والتكنولوجيا والتطبيقات المتعلقة بمصدر الضوء فوق البنفسجي الشديد، وتعزيز التطوير الشامل لمصدر الضوء فوق البنفسجي الشديد للحدود العلمية العالمية، والاحتياجات الاستراتيجية الوطنية، وساحة المعركة الرئيسية للاقتصاد الوطني والمعلومات والذكاء الاصطناعي، تخطط شركة China Laser لنشر موضوع "مصدر الضوء فوق البنفسجي الشديد وتطبيقه" في العدد السابع (أبريل) من عام 2024. التركيز على أحدث التقدم واتجاه التطوير لمصدر الضوء فوق البنفسجي الشديد في البحث والتطبيق الفني، وتعزيز تدريب المواهب المركبة عالية الجودة وبناء التخصصات ذات الصلة.