Os pesquisadores criaram um chip integrado fotônico de carboneto de silício (SiC) que pode ser termicamente ajustado pela aplicação de um sinal elétrico. A abordagem poderia um dia ser usada para criar uma grande variedade de dispositivos reconfiguráveis, como deslocadores de fase e acopladores ópticos ajustáveis, necessários para aplicativos de rede e processamento de informações quânticas.

Embora a maioria dos chips ópticos e de computador sejam feitos de silício, há um interesse crescente em SiC porque exibe melhor térmica, propriedades elétricas e mecânicas do que o silício, embora também seja biocompatível e operando em comprimentos de onda do visível ao infravermelho.

No jornal The Optical Society (OSA) Cartas de Óptica , pesquisadores liderados por Ali Adibi, do Instituto de Tecnologia da Geórgia, detalham como integraram um microaquecedor e um dispositivo óptico chamado ressonador de microrer em um chip de SiC. A realização representa o primeiro switch ótico SiC totalmente integrado e termicamente ajustável que opera em comprimentos de onda próximos ao infravermelho.

"Dispositivos como o que demonstramos neste trabalho podem ser usados ​​como blocos de construção para dispositivos de processamento de informação quântica de próxima geração e para criar sensores e sondas biocompatíveis, "disse o primeiro autor do jornal, Xi Wu.

O SiC é particularmente atraente para aplicações de computação quântica e comunicação porque tem defeitos que podem ser opticamente controlados e manipulados como bits quânticos, ou qubits. A computação quântica e a comunicação prometem ser significativamente mais rápidas do que a computação tradicional na resolução de certos problemas porque os dados são codificados em qubits que podem estar em qualquer combinação de dois estados ao mesmo tempo, permitindo que muitos processos sejam executados simultaneamente.

Fabricação em nível de wafer

O novo trabalho baseia-se no desenvolvimento anterior dos pesquisadores de uma plataforma chamada SiC-on-insulator cristalino que supera algumas das fragilidades e outras desvantagens das plataformas de SiC relatadas anteriormente, enquanto fornece uma rota fácil e confiável para integração com dispositivos eletrônicos.

"A plataforma SiC-on-insulator em que nosso grupo foi pioneiro é semelhante à tecnologia de silício-on-insulator amplamente usada na indústria de semicondutores para uma variedade de aplicações, "disse Tianren Fan, membro da equipe de pesquisa. "Ele permite a fabricação em nível de wafer de dispositivos SiC, pavimentando o caminho para a comercialização de soluções integradas de processamento de informações quânticas fotônicas baseadas em SiC, "disse Ali A. Eftekhar, membro da equipe de pesquisa.

Explorar totalmente os recursos exclusivos da nova plataforma exigiu o desenvolvimento da capacidade de ajustar suas propriedades ópticas para que uma única estrutura baseada em chip possa ser usada para fornecer funções diferentes. Os pesquisadores conseguiram isso usando o efeito termo-óptico em que a mudança de temperatura de um material modifica suas propriedades ópticas, como índice de refração.

Eles começaram fabricando pequenas cavidades ópticas em forma de anel, ou ressonadores microring, usando a tecnologia cristalina SiC-on-insulator. Em cada ressonador, luz em certos comprimentos de onda, chamados de seus comprimentos de onda de ressonância, viajar ao redor do anel aumentará a força por meio de interferência construtiva. O ressonador, então, pode ser usado para controlar a amplitude e a fase da luz em um guia de ondas acoplado a ele. Para criar um ressonador sintonizável com alto grau de controle, os pesquisadores fabricaram aquecedores elétricos em cima dos microrings. Quando uma corrente elétrica é aplicada ao microaquecedor integrado, aumenta localmente a temperatura do micro-furo de SiC e, assim, muda seus comprimentos de onda ressonantes graças ao efeito termo-óptico.

Testando o dispositivo integrado

Os pesquisadores testaram o desempenho dos ressonadores e microaquecedores integrados fabricados aplicando diferentes níveis de energia elétrica e medindo a transmissão óptica do guia de ondas acoplado ao ressonador de microragem. Seus resultados mostraram que é possível obter ressonadores de alta qualidade com baixa sintonia térmica por meio de um dispositivo robusto que pode ser fabricado usando processos de fundição de semicondutores existentes.

"Combinado com outros recursos exclusivos de nossa plataforma SiC-on-insulator cristalino, esses dispositivos de alta qualidade têm os requisitos básicos para habilitar novos dispositivos em escala de chip que operam em uma ampla gama de comprimentos de onda, "disse Ali Adibi, o líder da equipe. "Esta sintonização em escala de chip é essencial para realizar operações quânticas necessárias para computação quântica e comunicação. Além disso, por causa da biocompatibilidade do SiC, pode ser muito útil para o biossensorio in vivo. "

Os pesquisadores agora estão trabalhando para construir elementos com a plataforma cristalina SiC-on-insulator para circuitos integrados fotônicos quânticos, incluindo lasers de bomba no chip, fontes de fóton único e detectores de fóton único que podem ser usados ​​com o ressonador de microring sintonizável para criar um chip totalmente funcional para computação quântica óptica avançada.

Este trabalho é o resultado de três anos de extensa pesquisa na formação de uma plataforma híbrida confiável com propriedades de material de SiC consideravelmente melhoradas e sua utilização para formar dispositivos inovadores. Xi Wu, Tianren Fan, e Ali A. Eftekhar no grupo de pesquisa de Ali Adibi contribuíram imensamente para este trabalho. Hesam Moradinejad, um ex-membro do grupo de pesquisadores de Adibi, também contribuiu para o desenvolvimento da plataforma (publicado anteriormente). Este trabalho foi financiado principalmente pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea (AFOSR) sob o número de concessão FA9550-15-1-0342 (G. Pomrenke).