قام باحثون في الولايات المتحدة بدمج ليزر منخفض الضوضاء وموجهات ضوئية ضوئية في شريحة واحدة لأول مرة. هذا الإنجاز الذي طال انتظاره يمكن أن يجعل من الممكن إجراء تجارب عالية الدقة مع الساعات الذرية وغيرها من التقنيات الكمومية داخل جهاز واحد متكامل ، مما يلغي الحاجة إلى جداول بصرية بحجم الغرفة في تطبيقات معينة.

عندما كانت الإلكترونيات في مهدها ، عمل الباحثون مع الثنائيات والترانزستورات وما إلى ذلك كأجهزة قائمة بذاتها. لم تتحقق الإمكانات الحقيقية للتكنولوجيا إلا بعد عام 1959 ، عندما أتاح اختراع الدائرة المتكاملة تجميع كل هذه المكونات على شريحة. يرغب باحثو الفوتونات في القيام بعمل مماثل للتكامل ، لكنهم يواجهون عقبة: "بالنسبة للرابط الضوئي ، نحتاج إلى استخدام مصدر ضوء ، وهو عادةً ليزر ، كجهاز إرسال لإرسال الإشارة إلى الروابط الضوئية المصب مثل الألياف أو أدلة الموجات "، يشرح تشاو شيانغ، الذي قاد البحث باعتباره باحثًا لما بعد الدكتوراة في جون باورز رأس التجميع في جامعة كاليفورنيا ، سانتا باربرا. "ولكن عندما ترسل الضوء ، فإنه عادة ما يولد بعض الانعكاس الخلفي: يعود ذلك إلى الليزر ويجعله غير مستقر للغاية."

لتجنب مثل هذه الانعكاسات ، يقوم الباحثون عادة بإدخال العوازل. هذه تسمح للضوء بالمرور في اتجاه واحد فقط ، مما يكسر التبادل الطبيعي ثنائي الاتجاه لانتشار الضوء. تكمن الصعوبة في أن العوازل المتوافقة مع معايير الصناعة تحقق ذلك باستخدام مجال مغناطيسي ، مما يسبب مشاكل لمنشآت تصنيع الرقائق. يوضح شيانغ ، الذي يعمل حاليًا في جامعة هونغ كونغ ، "لدى CMOS fabs متطلبات صارمة للغاية بشأن ما يمكن أن يتوفر في الغرفة النظيفة". "المواد المغناطيسية غير مسموح بها في العادة."

متكامل ولكن منفصل

نظرًا لأن درجات الحرارة المرتفعة المطلوبة لتصلب أدلة الموجات يمكن أن تلحق الضرر بالمكونات الأخرى ، فقد بدأ Xiang و Bowers وزملاؤهم بتصنيع أدلة موجية لنتريد السيليكون فائق الانخفاض على ركيزة من السيليكون. ثم قاموا بتغطية الأدلة الموجية بعدة طبقات من المواد القائمة على السيليكون وقاموا بتركيب ليزر فوسفات الإنديوم منخفض الضوضاء في الجزء العلوي من المكدس. لو قاموا بتركيب الليزر والدليل الموجي معًا ، فإن النقش المتضمن في تصنيع الليزر كان من شأنه أن يضر بالموجهات الموجية ، لكن ربط الطبقات اللاحقة في الأعلى تجنب هذه المشكلة.

كان فصل الليزر والموجهات الموجية يعني أيضًا أن الطريقة الوحيدة التي يمكن أن يتفاعل بها الجهازان كانت عن طريق الاقتران من خلال "طبقة إعادة توزيع" نيتريد السيليكون الوسيطة عبر مجالاتها الزائلة (مكونات المجال الكهرومغناطيسي التي لا تنتشر ولكنها تتحلل بشكل كبير بعيدًا عن مصدر). وبالتالي ، قللت المسافة بينهما من التداخل غير المرغوب فيه. يقول شيانغ: "الليزر العلوي والدليل الموجي السفلي للغاية بعيدان جدًا ، لذا يمكن لكليهما الحصول على أفضل أداء ممكن بمفردهما. يسمح التحكم في طبقة إعادة توزيع نيتريد السيليكون بالاقتران في المكان الذي تريده بالضبط. بدونها ، لن يتزاوجوا ".

الجمع بين أفضل الأجهزة النشطة والسلبية

أظهر الباحثون أن إعداد الليزر هذا كان قويًا في مواجهة الضوضاء بالمستويات المتوقعة في التجارب القياسية. أظهروا أيضًا فائدة أجهزتهم من خلال إنتاج مولد تردد ميكروويف قابل للضبط عن طريق ضبط تردد النبض بين نوعين من الليزر - وهو أمر لم يكن عمليًا من قبل في دائرة متكاملة.

بالنظر إلى النطاق الهائل من التطبيقات لليزرات منخفضة الضوضاء في التكنولوجيا الحديثة ، يقول الفريق إن القدرة على استخدام مثل هذه الليزرات في ضوئيات السيليكون المتكاملة يعد قفزة كبيرة إلى الأمام. يقول شيانغ: "أخيرًا ، على نفس الشريحة ، يمكننا الحصول على أفضل الأجهزة النشطة وأفضل الأجهزة السلبية معًا". "بالنسبة للخطوة التالية ، سنستخدم أجهزة الليزر فائقة الضجيج جدًا لتمكين الوظائف البصرية المعقدة للغاية مثل ، على سبيل المثال ، القياس الدقيق والاستشعار."

تربط الأسطح السطحية للموجة المتسربة أدلة الموجة ببصريات الفضاء الحر

سكوت ديدامز، عالم الفيزياء البصرية بجامعة كولورادو ، بولدر ، الولايات المتحدة ، والذي لم يكن مشاركًا في البحث ، مندهشًا: "كانت مشكلة الليزر المدمجة مع العوازل البصرية لعنة المجتمع لمدة عقد على الأقل ولم يكن أحد يعرف كيف يحل مشكلة صنع ليزر منخفض الضجيج حقًا على الرقاقة ... لذلك يعد هذا إنجازًا حقيقيًا ، "كما يقول. "لقد عمل أشخاص مثل جون باورز في هذا المجال لمدة 20 عامًا ، ولذا فهم يعرفون اللبنات الأساسية ، ولكن اكتشاف كيفية جعلهم جميعًا يعملون معًا بشكل مثالي لا يشبه مجرد ربط القطع معًا."

يضيف Diddams أن الجهاز المدمج الجديد من المرجح أن يكون "مؤثرًا جدًا" في الحوسبة الكمومية. ويوضح قائلاً: "تحاول الشركات الجادة إنشاء منصات تتضمن الذرات والأيونات - تعمل تلك الذرات والأيونات بألوان محددة جدًا ، ونتحدث إليهم باستخدام ضوء الليزر". "لا توجد طريقة يمكن للمرء أن يبني بها جهاز كمبيوتر كمي فعال على نطاق واسع بدون فوتونات متكاملة مثل هذه."

تم نشر البحث في الطبيعة.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون السيارات / المركبات الكهربائية ، كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• BlockOffsets. تحديث ملكية الأوفست البيئية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/all-in-one-chip-combines-laser-and-photonic-waveguide-for-the-first-time/