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美国乔治亚理工学院创造出新型碳化硅光子集成芯片

http://www.momo35.com    来源:环球创新智慧    日期:2019-10-08

导读

据美国光学学会官网近日报道,美国乔治亚理工学院创造出一款碳化硅(SiC)光子集成芯片。它可以通过施加电信号,以热的方式进行调谐。有朝一日,该方案将用于创造一系列可重构的设备,例如互联网应用和量子信息处理所需的移相器以及可调谐光耦合器。

背景

尽管大多数的光学和计算机芯片都是由硅制成,但是人们对于碳化硅的兴趣却在日益增长,因为它比硅具有更好的热学、电气和机械特性,并且具有生物相容性,还可工作在可见光到红外线波段。

碳化硅(图片来源:维基百科)

创新

近日,美国乔治亚理工学院的 Ali Adibi 领导的科研人员们,在美国光学学会(OSA)的期刊《光学快报(Optics Letters)》上,详细描述了他们如何将一个微型加热器和一个称为微环谐振器的光学器件集成到碳化硅芯片上。这一成就代表了首个完全集成、可通过热方式调谐、工作在近红外波段的碳化硅光学开关。

技术

碳化硅对于量子计算以及通信应用来说颇具吸引力,因为它拥有可经过光学操控作为量子位(qubit)来使用的缺陷。量子计算与通信有望比传统计算方式以显著更快的速度来解决特定问题,因为数据以量子位的形式编码,而量子位可同时处于两个状态的叠加态,从而可同时进行多项处理。

之前,研究人员们开发了一个称为“绝缘体上的碳化硅晶体”的平台,它克服了之前报告的碳化硅平台的某些脆弱性以及其他缺点,同时为与电子器件集成到一起提供了一种简单且可信赖的方式。

下图所示:量子光子集成电路包含环形微环谐振器和微型加热器。插图展示了受到微型加热器加热的微环谐振器的横截面上的温度和电场分布。

(图片来源:Ali Adibi, 乔治亚理工学院)

研究团队成员 Tianren Fan 表示:“我们研究小组率先开发出的绝缘体上的碳化硅平台,类似于在半导体工业中广泛使用的、适用于多种应用的绝缘体上的硅技术。它实现了碳化硅设备的晶圆级制造,为基于碳化硅的集成光子量子信息处理解决方案的商业化铺平了道路。”

要完全发挥这个新平台的独特功能,就要开发调谐其光学特性的能力,使得单个基于芯片的结构可提供不同的功能。研究人员通过采用热光效应实现了这一点。在热光效应中,改变材料的温度将改变其光学特性,例如折射率。

他们一开始采用绝缘体上的碳化硅晶体技术,制造了微型环状光学腔,或者称为微环谐振器。在每个谐振器中,光线在特定波长(也称为其谐振波长)下,围绕着环传播,并通过相长干涉来增加强度。然后,谐振器可用于控制与其耦合的波导中的光线幅度与相位。研究人员们为了创造一个高度可控的可调谐谐振器,在微环顶上制造了电加热器。当电流施加到集成的微加热器中时,它局部地提升了碳化硅微环的温度,并通过热光效应改变了其共振波长。

研究人员们通过施加不同等级的电力,然后测量与微环耦合的波导中的光学传输,测试了制造好的集成微环谐振器和微型加热器的性能。他们的成果表明,通过一个可采用现有半导体制造工艺制造的坚固装置,实现具有低功率热可调谐性的谐振器是可能。

价值

论文第一作者 Xi Wu 表示:“像我们在这项研究中演示的这一类器件,可以作为新一代量子信息处理设备的构建模块使用,也可以创造出生物相容的传感器和探测器。”

团队领头人 Ali Adibi 表示:“这些高质量的设备,结合了我们的绝缘体上的碳化硅晶体平台的其他特征,将满足工作在大范围波长的新型芯片级设备的基本需求。这种芯片级的可调谐性对于量子计算和通信所需的量子操作来说是必要的。此外,因为碳化硅的生物相容性,它也非常适合活体生物传感。”

未来

目前,研究人员们正在致力于通过绝缘体上的碳化硅晶体平台,为量子光子集成电路打造元器件,包括芯片上的激光泵、单光子源以及单光子探测器,与可调谐的微环谐振器一起使用,为先进的光学量子计算创造出全功能芯片。

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