Фотонное устройство на ниобате лития выдаёт 4,2 мВт в УФ-диапазоне
Стоит пояснить, с чем связана сложность создания таких источников. Интегрированные когерентные источники ультрафиолетового (УФ) излучения необходимы для квантовых вычислений на основе ионов, оптических часов, газоанализаторов и микроскопов. Однако уменьшить эти источники до размеров чипа долгое время не удавалось — ультрафиолетовый свет быстро теряет мощность при прохождении через оптические волноводы, что ограничивало практическое применение.
Принципиальное отличие новой разработки заключается в том, что устройство не направляет ультрафиолетовый свет напрямую, а генерирует его самостоятельно. Процесс, называемый повышением частоты, объединяет два красных фотона внутри кристалла ниобата лития в один ультрафиолетовый фотон с более высокой энергией. Ключевой момент: ниобат лития демонстрирует высокую эффективность преобразования частоты, что делает его перспективной платформой для компактной и мощной генерации УФ-излучения.
Внутри устройства свет проходит по волноводам — микроскопическим каналам, вытравленным в материале. Для эффективного преобразования красного света в ультрафиолетовый требуется аккуратно переворачивать кристаллическую структуру через равные промежутки вдоль волновода. Этот процесс нанопроизводства, известный как поляризация, создаёт серьёзное препятствие: необходимо сформировать точную структуру на субмикронном уровне в устройствах длиной около сантиметра.
Прежние методы были компромиссными. Поляризация всей пленки снижала гибкость при исправлении производственных дефектов. Формирование волноводов в первую очередь ограничивало эффективность, поскольку электроды располагались слишком далеко и лишь частично воздействовали на материал.
Команда решила эту проблему с помощью метода, который называется «подкопка сбоку». Вместо размещения электродов только поверх пленки исследователи расположили металлические «пальцы» с чётким рисунком непосредственно по бокам волновода. Небольшое напряжение, подаваемое во время изготовления, переворачивает кристаллические домены в строго заданном порядке.
Как следствие, команда сообщает о 4,2 милливаттах встроенного в микросхему источника ультрафиолетового излучения с длиной волны 390 нанометров. Это примерно в 120 раз больше, чем у предыдущих тонкоплёночных устройств на основе ниобата лития, работающих в этом диапазоне. В более ранних разработках мощность составляла всего десятки микроватт — достаточно для демонстрации концепции, но недостаточно для практического применения.
Проектирование печатных плат для таких фотонных устройств требует учёта оптических и электрических характеристик на этапе разработки. В свою очередь, изготовление печатных плат для систем, включающих подобные чипы, должно обеспечивать высокую точность согласования волноводных и электронных компонентов.
По материалам russianelectronics.ru