Um dos elementos mais importantes em chips fotônicos ou chips quânticos é o guia de ondas óptico. No entanto, devido a limitações nos métodos de fabricação existentes, é complicado produzir guias de onda de forma eficiente com controle de alta precisão da forma e tamanho da seção transversal 3D. Para resolver esse problema desafiador, cientistas da Universidade de Oxford desenvolveram uma nova técnica de fabricação de guias de ondas, que pode produzir guias de ondas rapidamente em um chip com seções transversais 3D controladas com precisão, que também exibem mudanças de comportamento ao longo do guia de ondas. Os guias de onda foram demonstrados com perdas muito baixas e mostram grande promessa para chips fotônicos ou quânticos.
Plano de fundo

Com o avanço da indústria de semicondutores, o circuito integrado eletrônico tradicional está se aproximando de seu limite em largura de banda e consumo de energia. Comparados aos circuitos integrados eletrônicos, os circuitos integrados fotônicos apresentam menor perda de transmissão, largura de banda mais ampla e menor atraso de tempo. Por outro lado, o rápido desenvolvimento da tecnologia quântica nas últimas décadas indica que os chips quânticos prometem substituir alguns aspectos dos circuitos integrados eletrônicos tradicionais no futuro.

É bem conhecido que a unidade básica do circuito integrado eletrônico é o diodo semicondutor. Assim como os circuitos integrados eletrônicos, os chips optoeletrônicos ou os chips quânticos têm seus próprios componentes básicos. Entre esses componentes básicos, o guia de ondas óptico em escala micro é um dos elementos mais importantes. Com base no acoplamento de ondas evanescentes, guias de ondas ópticos adjacentes podem realizar processamento de sinal programável, fornecendo funções indispensáveis ​​para os chips quânticos/fotônicos.

Devido a limitações anteriores na tecnologia de fabricação, os guias de onda ópticos de tamanho micro foram limitados a seções transversais bidimensionais quadradas, elípticas e circulares. Atualmente, existem opções de tecnologia limitadas que podem produzir guias de onda com eficiência com baixa perda e variação precisa da seção transversal 3D. Isso impõe muitas limitações nas funcionalidades e eficiência dos chips fotônicos e quânticos.

A tecnologia SPIM-WGs

Em um novo artigo publicado em Light Science &Application , Dr. Bangshan Sun, Prof. Martin J. Booth e uma equipe de cientistas da Universidade de Oxford, colaborou com Prof. Alina Karabchevsky de Israel, Prof. Alexander Jesacher da Áustria, e Prof. Ian A. Walmsley do Imperial College London , desenvolveram uma nova tecnologia chamada "SPIM-WGs". Com esta técnica, guias de onda ópticos com seções transversais 3D continuamente variáveis ​​podem ser fabricados de forma eficiente em um chip. Os guias de ondas ópticos desenvolvidos com base nessa tecnologia não só apresentam desempenho superior em relação aos guias de ondas tradicionais, como também trazem diversas novidades, abrindo caminho para futuros chips fotônicos e quânticos.

Com base na óptica adaptativa, o maior destaque da tecnologia é que ela pode produzir guias de onda de baixa perda com eficiência com seções transversais variáveis, como circular, quadrada, anular ou muitas outras formas complicadas. A precisão no controle da seção transversal em cada eixo pode chegar a centenas de nanômetros. Para um único guia de ondas, a forma da seção transversal pode variar ao longo do próprio guia de ondas. Por exemplo, eles podem ser torcidos, variando de quadrado a circular, ou de circular a em forma de anel, e assim por diante.

Vale ressaltar que o guia de ondas exibe perdas de transmissão muito baixas durante a mudança precisa da morfologia. Com base no substrato de vidro, o guia de ondas tem uma perda de transmissão de cerca de -0,14 dB/cm, o que significa que apenas cerca de 3% da potência óptica é perdida ao transmitir 1 cm através do chip. Resultados experimentais mostram que a perda extra de transmissão causada pela variação da seção transversal é quase insignificante.

O custo de tempo para fazer os guias de ondas também é digno de nota. Por exemplo, o método tradicional de sílica sobre silício (SoS) leva cerca de um mês ou mais para produzir guias de onda a partir da preparação. Em comparação, os SPIM-WGs podem ser produzidos em questão de minutos, o que proporciona um nível diferente de flexibilidade na prototipagem e fabricação.

Potencial de aplicação

A aplicação mais importante dos SPIM-WGs é a conversão de modo óptico. Em teoria, os SPIM-WGs podem fornecer os recursos de conversão de modo óptico para quaisquer formas arbitrárias, limitadas apenas pelo tamanho limitado de difração do foco do laser de fabricação. Os SPIM-WGs podem facilmente converter entre os modos de luz gaussiana, modos de luz elíptica, modos de lóbulo duplo TE01 e modos de anel TE01. Esses modos aparecem em uma ampla gama de chips optoeletrônicos.

Uma aplicação mais importante na conversão de modo é entre guias de onda pp-KTP e fibra monomodo, ligando fontes de luz quântica e chips quânticos. Atualmente, o guia de ondas pp-KTP na fonte de luz quântica deve ser conectado diretamente a uma fibra monomodo, que perde cerca de 25-30% da intensidade da luz. Se o guia de onda de conversão de modo feito por SPIM-WGs for usado para a ponte, espera-se que a perda de intensidade de luz possa ser reduzida abaixo de 10%. Isso melhoraria muito a eficiência da maioria dos chips quânticos.

Além disso, com base na funcionalidade de conversão de modo, os SPIM-WGs podem ser conectados a uma fibra monomodo com eficiência de acoplamento de até 95%. Isso permite que os dispositivos SPIM-WGs sejam facilmente combinados com a maioria dos dispositivos fotônicos existentes.

Descobriu-se que guias de onda com seções transversais retangulares torcidas em 90 graus podem até ser usados ​​para controlar a polarização da luz. Isso também é uma grande promessa para muitas aplicações fotônicas e quânticas. + Explorar mais

Controlando estados mecânicos não clássicos em uma arquitetura de guia de onda fonônica