Onderzoekers van het California Institute of Technology (Caltech) hebben onlangs een grote technologische doorbraak aangekondigd. Ze hebben met succes een nieuwe technologie ontwikkeld die een extreem laag verlies aan optische signaaloverdracht op siliciumwafels kan bereiken, en de prestaties ervan benaderen zelfs het niveau van traditionele optische vezels in de zichtbare lichtband.
Deze prestatie markeert een belangrijke stap op het gebied van fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC's) en maakt de weg vrij voor de ontwikkeling van een nieuwe generatie opto-elektronische apparaten met uitstekende coherentie en extreem laag energieverlies. Het onderzoek beschrijft een methode om optische vezelmaterialen te gebruiken om optische paden rechtstreeks op de chip te bouwen, en het gerelateerde artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Nature.
Lange tijd is glasvezel de hoeksteen geworden van mondiale communicatienetwerken, dankzij het extreem zuivere glasmateriaal en het atomair gladde oppervlak, dat in staat is enorme hoeveelheden gegevens met extreem weinig verlies te verzenden. Een team onder leiding van Kerry Vahala, hoogleraar toegepaste natuurkunde en informatiewetenschappen en technologie aan het California Institute of Technology, zet zich in om het productieproces van deze optische vezel te 'transplanteren' op de siliciumwafels die worden gebruikt bij de productie van computerchips. Het onderzoeksteam gebruikte hetzelfde germanosilicaatglasmateriaal als optische vezels en gebruikte fotolithografietechnologie om op de chip een lichttransmissiekanaal te bouwen dat een "golfgeleider" wordt genoemd. Om het probleem van oppervlakteruwheid op microscopische schaal op te lossen, introduceerden de onderzoekers op innovatieve wijze een proces: de chip in een hogetemperatuuroven plaatsen voor "reflow" -verwerking, zodat het oppervlak van de golfgeleider wordt gesmolten en gladgemaakt tot op atomair niveau. Deze verwerking onderdrukt het verlies door lichtverstrooiing aanzienlijk en lost het belangrijkste knelpunt op dat de ontwikkeling van fotonische geïntegreerde schakelingen in de zichtbare lichtband lange tijd heeft beperkt.
Testresultaten tonen aan dat de prestaties van deze nieuwe chip in de nabij-infraroodband gelijkwaardig zijn aan die van de huidige toonaangevende siliciumnitridetechnologie, terwijl de prestaties in de zichtbare lichtband een kwalitatieve sprong voorwaarts hebben gemaakt, waarbij het verlies is teruggebracht tot een twintigste van het siliciumnitriderecord. Deze eigenschap met ultralaag verlies heeft een grote invloed op de prestaties van het apparaat. Lasers die met deze technologie zijn gebouwd, hebben bijvoorbeeld optische coherentietijden die meer dan 100 keer langer zijn dan bestaande versies. Hao-Jing Chen, de eerste auteur van het onderzoeksartikel en een postdoctoraal onderzoeker bij Caltech, wees erop dat de uitbreiding van de golflengtedekking van dit platform veel belangrijke atomaire operaties zal ondersteunen, waardoor het mogelijk wordt om atomaire sensoren, optische klokken en ionenvalsystemen op chipschaal te implementeren.
Hoewel de grootte van deze chips slechts ongeveer 2 centimeter bedraagt, heeft hun interne optische pad een spiraalvormige structuur, waardoor de voortplantingsafstand van licht in een kleine ruimte aanzienlijk wordt vergroot. Afgestudeerde student Kellan Colburn legde uit dat voor belangrijke optische componenten zoals ringresonatoren geldt dat hoe langer het afstandslicht erin circuleert, hoe lager de verliezen zijn en hoe beter de prestaties van het apparaat. Elke tienvoudige vermindering van het verlies leidt tot een honderdvoudige verbetering van de coherentie. Deze technologie is niet alleen zo veelzijdig als een ‘Zwitsers zakmes’ en kan op grote schaal worden gebruikt op gebieden variërend van uiterst nauwkeurige timing, rotatiemeting (gyroscoop) tot kwantumcomputers en detectie, maar is ook van groot belang bij het verminderen van het totale energieverbruik van de serverinfrastructuur van datacenters. Hoewel het onderzoeksteam stelde dat de huidige resultaten het uiteindelijke doel nog niet hebben bereikt, heeft de aanzienlijke vooruitgang van de afgelopen vijf jaar een duidelijke blauwdruk opgeleverd voor toekomstige toepassingen van fotonische technologie.