イェール大学：チップスケールのフォトニック共振器の紫外線損失が新たな最低値に達した

情報通信や量子コンピューティングにおけるフォトニクスの重要な役割により、紫外光分野の研究は特に重要です。エール大学の研究チームは、紫外（UV）から可視光のスペクトルで動作し、前例のない低い紫外光損失を示すチップベースの光共振器の構築に成功した。この新しい共振器は、紫外光集積回路（PIC）の設計サイズ、複雑さ、忠実度を拡張するための強固な基盤を提供し、スペクトルセンシング、水中通信、量子情報処理におけるマイクロチップベースのデバイスの応用を前進させることが期待されています。

図1に示すチップスケールのリング共振器は、紫外から可視のスペクトルで動作し、記録的な低紫外光損失を達成します。共振器 (中央の小さな円) は青い光で示されています。

イェール大学の研究チームのメンバーであるChengxing He氏は、「比較的成熟した通信フォトニクスや可視フォトニクスと比較すると、紫外線フォトニクスの研究はまだ比較的小規模である。しかし、原子/イオンベースの量子コンピューティングで特定の原子状態遷移を操作し、生化学用に特定の蛍光分子を活性化するために紫外線波長を使用する必要性を考慮すると、 この領域のセンシング、探索は非常に価値があります。私たちの研究は、紫外波長のフォトニック回路の構築に重要な基礎を築きます。」

研究者らは論文の中で、アルミナベースの光微小共振器と、適切な材料を最適化された設計と製造と組み合わせることで、紫外波長で前例のない低損失をどのように達成したかについて説明している。

研究チームのリーダーであるホン・タン氏は、「我々の研究は、紫外フォトニック集積回路（UV PIC）が現在、可視領域と比べて紫外スペクトルでの光損失がそれほど深刻ではないという転換点に達していることを示している。これは、周波数コムや注入同期技術など、これまで可視波長や通信波長向けに開発されたすべての高度なPIC構造を、現在ではあらゆる用途に拡張できることを意味している」と述べた。 紫外線の波長です。」

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

アルミナマイクロ共振器: 光損失を低減

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この微小共振器は、Integris の共著者である Carlo Waldfried 氏と Jun-Fei Zheng 氏が高度な原子層堆積 (ALD) 技術を使用して作成した高品質のアルミナ フィルムから構築されています。アルミナは大きなバンドギャップ (約 8 eV) を持ち、低エネルギー (約 4 eV) の紫外線光子に対して透明であるため、この材料は紫外線を吸収しません。

これまでの記録は、バンドギャップが約 6 eV の窒化アルミニウムを使用して達成されました。単結晶窒化アルミニウムとは異なり、アルミナで堆積されたアモルファス原子層は欠陥が少なく、製造が容易で、光損失が低くなります。

微小共振器の製造中に、研究者らは酸化アルミニウムをエッチングして、一般に「リブ付き導波路」と呼ばれる構造を形成した。このリブ付き導波路では、上部の細いストリップが光の伝播を制限する構造を形成します。導波路のリブが深いほど光の拘束は強くなりますが、散乱損失も大きくなります。構造を最適化するために、シミュレーション技術を使用して最適なエッチング深さを決定し、散乱損失を最小限に抑えながら理想的なビーム閉じ込めを達成することを目指しました。

リング共振器: 性能評価と統合の見通し

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研究チームは、導波路の研究で得た経験を半径400μmのリング共振器の作製に応用した。彼らは、厚さ400 nmの酸化アルミニウム膜では、エッチング深さが80 nmを超えると、放射損失が488.5 nmで0.06 dB/cm未満、390 nmで0.001 dB/cm未満に減少することを観察しました。

これらのパラメータに従って構築されたリング共振器について、研究者らは共振ピーク幅を測定し、共振器の光周波数をスキャンすることによって品質係数 Q を評価しました。結果は、品質係数が 390 nm の波長 (UV 範囲) で 1.5 × 106、488.5 nm (可視青色領域) で 1.9 × 106 と高いことを示しています (品質係数が高いほど、光損失が少ないことを意味します)。

可視光や通信波長専用に設計された PIC と比較して、UV PIC は帯域幅が広いことや、水中などの特定の条件下で吸収されにくいため、通信分野で利点がある可能性があります。さらに注目すべきは、アルミナを製造するための原子層堆積技術がCMOS技術と互換性があり、CMOSとアモルファスアルミナフォトニクスの融合の可能性を生み出していることである。

現在、研究者は複数の波長に調整できるアルミナベースのリング共振器の開発に取り組んでいます。これは、正確な波長制御を実現したり、相互作用する 2 つの共振器を使用して変調器を開発したりするのに役立ちます。さらに、PIC に統合された UV 光源を開発して、完全な Pic ベースの UV システムを構築する予定です。

極紫外光 (EUV) は、他の UV サブ領域よりも波長が短い紫外 (UV) 範囲のサブ領域であり、高精度の技術用途によく使用されます。中国の極端紫外光源に関連する科学、技術、応用分野の研究レベルを向上させ、世界の科学フロンティア、国家戦略的ニーズ、国民経済、情報、人工知能の主戦場に向けた極端紫外光源の包括的な開発を促進するために、チャイナレーザーは2024年第7号（4月）に「極端紫外光源と応用」というテーマを掲載する予定です。最新の進歩と開発動向に焦点を当てています。 極端紫外光源の研究と技術応用を推進し、複合的な質の高い人材の育成と関連分野の構築を促進します。