Monolithic high density integrated photonics on bulk lithium niobate

Licht is de motor van moderne informatie, die data over oceanen en door de lucht draagt met de snelheid van het licht. Om deze kracht te benutten voor computers en communicatie, hebben wetenschappers decennia besteed aan het verkleinen van enorme optische componenten tot de grootte van een vingernagel, waardoor minuscule circuits ontstonden waar licht in plaats van elektriciteit doorheen reist. Voor deze circuits om echt nuttig te zijn, moeten ze goedkoop te maken zijn, klein genoeg om er miljoenen op een enkele chip te kunnen plaatsen, en in staat zijn om hun gedrag snel te veranderen. Hoewel silicium de werkpaard van deze industrie is geweest, heeft het moeite met het op commando veranderen van licht zonder energie te verliezen. Een kristal genaamd lithiumniobaat is lang de ideale stof voor deze taak geweest omdat het licht met ongelooflijke snelheid en efficiëntie kan manipuleren, maar het is hardnekkig moeilijk gebleken om in massaproductie te gebruiken. De traditionele manier om ermee te bouwen houdt in dat de kristal in papierdunne lagen wordt gesneden en aan andere materialen wordt gelijmd, een proces dat duur, fragiel en moeilijk op te schalen is.

Een team onderzoekers aan de Delftse Universiteit van Technologie heeft een manier gevonden om deze moeilijkheden volledig te omzeilen. In plaats van snijden en lijmen, bouwden zij een volledig geïntegreerd circuit direct op een solide blok van het kristal. Ze groeiden een dunne, amorfe siliciumcarbide-laag bovenop een standaard, dik stuk lithiumniobaat en etsten kleine kanaaltjes in deze laag om het licht te geleiden. Deze aanpak houdt het productieproces eenvoudig en compatibel met de fabrieken die al computerchips maken, terwijl het nog steeds mogelijk maakt dat het licht interacteert met de krachtige eigenschappen van het onderliggende kristal. Het resultaat is een platform dat niet alleen goedkoper en gemakkelijker te maken is, maar ook beter presteert dan eerdere pogingen, waarbij een niveau van controle over licht werd bereikt dat voorheen werd geacht veel complexere opstellingen te vereisen.

De kern van deze prestatie ligt in de manier waarop de onderzoekers de materialen hebben behandeld. Lithiumniobaat is een robuust kristal, maar het is berucht moeilijk om te snijden en te vormen met de precisie die nodig is voor moderne elektronica. Eerdere methoden probeerden dit op te lossen door een dunne film van het kristal te creëren en deze aan een siliciumwafer te binden, een techniek die hoge temperaturen en delicate behandeling vereist. De nieuwe methode slaat de dunne film volledig over. De onderzoekers begonnen met een standaard, dikke plak lithiumniobaat en brachten een laag amorf siliciumcarbide aan bovenop. Dit materiaal is transparant voor licht en kan met extreme precisie worden gepatroneerd met standaard gereedschappen. Door het gehele proces onder een temperatuur van 300 graden Celsius te houden, zorgden ze ervoor dat het onderliggende kristal onaangetast en ongeschonden bleef. Dit betekent dat het licht een hybride pad aflegt: grotendeels in de siliciumcarbide-laag, maar met een aanzienlijk deel van zijn energie die naar beneden duikt in de lithiumniobaat, waar het gecontroleerd kan worden.

Om te bewijzen dat dit systeem werkt, bouwde het team minuscule ringvormige circuits waar het licht continu circuleert. Deze ringen fungeren als gevoelige detectoren voor hoe goed het licht wordt geleid en hoe gemakkelijk het kan worden afgesteld. Ze maten het verlies van licht terwijl het door de siliciumcarbide-kanalen reisde en vonden dit opmerkelijk laag, wat aangeeft dat het licht soepel beweegt zonder te verstrooien of te vervagen. Ze testten ook hoe goed het circuit kon worden aangepast met behulp van warmte en elektriciteit. Wanneer ze een kleine hoeveelheid warmte toepasten, verschoof de kleur van het licht, een eigenschap die bekend staat als thermo-optische afstemming. Nog indrukwekkender was dat wanneer ze een elektrische spanning toepasten, de interne structuur van het kristal net genoeg verschoof om het pad van het licht te veranderen. Ze maten de efficiëntie van deze elektrische controle en vonden dat het een voltage-lengteproduct van 2,87 volt-centimeter vereiste om het licht te schakelen, een recordhoogte voor circuits die direct op bulk-lithiumniobaat zijn gebouwd. Dit betekent dat het apparaat het licht zeer snel en met zeer weinig vermogen aan en uit kan schakelen.

De onderzoekers stopten niet bij eenvoudige ringen; ze wilden zien of ze de stroom van licht nog nauwkeuriger konden controleren. Hiervoor hakten ze een reeks minuscule, elliptische gaatjes in de siliciumcarbide-laag, waardoor een structuur ontstond die bekend staat als een fotonisch kristal. Stel je een rij pilaren voor waar het licht tussendoor moet weven; door deze pilaren precies goed te plaatsen, kunnen ze een barrière creëren die bepaalde kleuren licht tegenhoudt terwijl andere wel doorlaten. Het team gebruikte deze techniek om filters en spiegels te bouwen die licht in een kleine ruimte konden vangen. Ze creëerden een holte, of val, voor licht tussen twee van deze spiegelstructuren. Binnen deze val stuiterde het licht heen en weer, en de onderzoekers maten hoe lang het daar bleef. Ze vonden dat het licht werd geconfineerd met een kwaliteitsfactor van 76.437, een getal dat aangeeft dat het licht vele malen circuleert voordat het ontsnapt. Dit niveau van opsluiting is meestal alleen mogelijk met veel complexere, zwevende structuren, wat bewijst dat hun platte, solide aanpak even goed werkt.

Het meest opvallende resultaat kwam toen ze deze fotonische kristallen combineerden met de elektrische afstemming. Door het licht te vertragen terwijl het door de kristalstructuur passeerde, zorgden ze ervoor dat het licht meer tijd doorbracht met interageren met het elektrische veld. Dit is vergelijkbaar met hoe een auto die langzaam door een modderig veld rijdt, meer vast komt te zitten dan een auto die er snel langsrijdt, maar in dit geval zorgt het "vastgelopen" licht voor een sterkere interactie met het materiaal. Dit vertragende effect verhoogde de efficiëntie van de elektrische controle met een factor 8,5. Bij specifieke punten nabij de rand van het operationele bereik van het kristal werd het apparaat ongelooflijk gevoelig, waardoor er zelfs minder spanning nodig was om het licht te schakelen. Dit demonstreerde dat het platform niet alleen licht kan geleiden, maar ook het gedrag ervan kan manipuleren om de prestaties te maximaliseren.

De betekenis van dit werk reikt verder dan slechts één type kristal. De methode die gebruikt is om deze circuits te creëren, is volledig compatibel met de standaard fabricageprocessen die gebruikt worden voor computerchips, wat betekent dat het opgeschaald kan worden om miljoenen apparaten te produceren tegen lage kosten. Het vermijdt de noodzaak voor de dure en complexe stappen van het snijden van dunne films of het binden van verschillende materialen aan elkaar. De onderzoekers hebben aangetoond dat deze aanpak potentieel toegepast kan worden op andere functionele kristallen die in de optica worden gebruikt, wat de deur opent naar een nieuwe generatie fotonische apparaten. Door te bewijzen dat hoogwaardige, regelbare circuits direct op solide blokken materiaal gebouwd kunnen worden, hebben zij een belangrijke barrière weggenomen die geavanceerde optische technologie heeft tegengehouden om een standaard onderdeel van de dagelijkse elektronica te worden. De weg vooruit is nu duidelijker, met een route naar hoog-densiteit, laag-kosten fotonica die rust op eenvoudige, robuuste fabricage in plaats van delicate, dure trucjes.