Vědci z California Institute of Technology vyvinuli způsob, jak vést světlo po křemíkových destičkách s účinností blížící se optickým vláknům. Výsledná technologie by mohla zlepšit fotonické obvody používané v laserech, přesných měřicích přístrojích, kvantových systémech i datových centrech. Studie byla zveřejněna v časopise Nature pod názvem Towards fibre-like loss for photonic integration from violet to near-infrared.
Optické vlákno přenáší světlo na velké vzdálenosti s malými ztrátami, protože je vyrobené z velmi čistého skla a jeho povrch je mimořádně hladký. Přenést podobné vlastnosti přímo na čip je obtížné. Světlo se v integrovaných obvodech ztrácí mimo jiné rozptylem na drobných nerovnostech povrchu. Výzkumníci proto hledali způsob, jak vyrobit optické struktury z materiálu podobného sklu používanému v telekomunikačních vláknech a současně zachovat výrobní postupy vhodné pro polovodičové destičky.
Nové optické vodiče, tedy nanoskopické struktury usměrňující světlo uvnitř čipu, vytvořili z germano-silikátového skla. Pomocí litografických postupů je dokázali vyrábět na osmi- a dvanáctipalcových destičkách podobných těm, které se používají při výrobě počítačových čipů. Vodiče přitom nevedou přímo, ale stáčejí se do spirál. Do malé plochy se tak vejde mnohem delší optická dráha, podobně jako se dlouhé optické vlákno navíjí na cívku.
Klíčovou součástí postupu je následné tepelné přepracování povrchu, označované jako reflow. Materiál se při něm zahřeje tak, aby se jeho povrch vyhladil téměř na úroveň jednotlivých atomů. Tím se podle autorů výrazně omezuje rozptyl světla, který dosud představoval zvláštní problém zejména u fotonických obvodů pracujících ve viditelné části spektra. V této oblasti jejich platforma překonala rekordní výsledek dosažený s nitridem křemíku dvacetinásobně. V blízké infračervené oblasti se její výkon vyrovnal některým nejlepším dosavadním zařízením z nitridu křemíku.
Výzkumníci vlastnosti nové platformy ověřovali na několika typech zařízení, mimo jiné na kruhových rezonátorech, laserech a nelineárních rezonátorech schopných vytvářet různé světelné frekvence. Rezonátor je optická struktura, v níž světlo obíhá a při každém průchodu se zesilují vybrané frekvence. Přestože samotný kruh může mít jen několik milimetrů, při velmi malých ztrátách může světlo urazit výrazně delší efektivní dráhu. U laserů podle studie nová platforma prodloužila dobu, po kterou si světlo zachovává koherenci, více než stonásobně oproti dřívějším návrhům. Koherence popisuje míru pravidelnosti světelné vlny a je důležitá pro přesné měření i stabilní laserový provoz.
Široký rozsah použitelných vlnových délek od fialové oblasti po blízké infračervené záření může být významný pro zařízení, která pracují s atomy a ionty. Patří mezi ně optické hodiny, miniaturní atomové senzory, gyroskopy nebo systémy s iontovými pastmi. Nízké ztráty by mohly snížit také energetickou náročnost přenosu světla mezi optickými vlákny, lasery a obvody v datových centrech. Autoři však výsledek popisují jako dosavadní etapu vývoje, nikoli jako hotovou technologii připravenou k okamžitému nasazení v běžných čipech.
Zdroj: ScienceDaily
Tento článek byl vytvořen s pomocí umělé inteligence a redakčně zkontrolován.