Zespół badawczy ze Stanford University ogłosił, że udało mu się stworzyć efektywny pasywny, ultracienki izolator laserowy z krzemu.
Układy scalone na bazie krzemu będą podlegać prawu Moore’a i mogą napędzać postęp technologii półprzewodnikowej. Wraz z pojawieniem się układów scalonych fotonicznych naukowcy wyszli poza tradycyjną architekturę obwodów. Jednak brak stabilnego i niezawodnego źródła lasera w postaci krzemowego chipa zawsze stanowił główną przeszkodę ograniczającą potencjał krzemowych układów scalonych fotonicznych – każda wiązka lasera potrzebuje izolatora, aby była niestabilna i zapobiegała odbiciom wstecznym przedostającym się do lasera.
Tradycyjne światłowody i duże systemy optyczne często wykorzystują izolatory optyczne z efektem Faradaya do konserwacji lasera. Chociaż tę metodę można ponownie zastosować na chipie, jej skalowalność jest nadal słaba, ponieważ jest niezgodna z technologią komplementarnych półprzewodników metalowo-tlenkowych (CMOS). Z drugiej strony naukowcy poczynili również postępy w tworzeniu izolatorów niemagnetycznych (niezależnych od efektu Faradaya), ale doprowadzi to do złożoności i zużycia energii całego systemu.
W swoim artykule opublikowanym w czasopiśmie Nature Photonics naukowcy ze Stanford University zaproponowali, że idealny izolator powinien być całkowicie pasywny i niemagnetyczny, aby osiągnąć skalowalność i kompatybilność z technologią CMOS.
Stworzyli skuteczny pasywny izolator na poziomie chipa, wykorzystując materiał krzemowy, który można umieścić w warstwie materiału półprzewodnikowego setki razy cieńszej niż kawałek papieru. Ten zintegrowany izolator fali ciągłej, wykonany z azotku krzemu (SiN), ogólnego materiału półprzewodnikowego, który jest łatwy do masowej produkcji, ma efekt Kerra.
Efekt Kerra wskazuje, że materiały izotropowe stają się dwójłomne pod wpływem pola elektrycznego, a pole elektryczne wywołane przez światło doprowadzi do zmiany współczynnika załamania światła materiału, który jest proporcjonalny do natężenia światła. Ten ostatni efekt staje się bardziej znaczący w przypadku wiązki laserowej o równej intensywności.
Wyniki badań powyższego zespołu pokazują, że efekt Kerra w pierścieniu SiN przerywa degenerację między trybami zgodnymi z ruchem wskazówek zegara i przeciwnym do ruchu wskazówek zegara i pozwala na asymetryczną transmisję fal. Główna wiązka lasera przechodzi przez pierścień SiN, powodując obrót fotonów zgodnie z ruchem wskazówek zegara wokół pierścienia. Jednocześnie odbita wiązka powoduje obrót fotonu przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Cyrkulacja w pierścieniu prowadzi do akumulacji energii. Zwiększona moc wpłynie na słabszą wiązkę (w tym przypadku odbitą wiązkę), a silniejsza wiązka nie zostanie dotknięta.
Jelena Vukovovic, profesor elektrotechniki na Uniwersytecie Stanforda i starsza autorka badań, wraz ze swoim zespołem stworzyła prototyp jako dowód koncepcji i zademonstrowała sprzężenie dwóch izolatorów pierścieniowych w kaskadzie w celu uzyskania lepszej wydajności. Zgłosili również, że mogli zrównoważyć izolację i straty związane ze sprzężeniem rezonatora pierścieniowego poprzez zmianę sprzężenia.
Następnie naukowcy planują dokładniej zbadać izolatory o różnych częstotliwościach optycznych i będą pracować nad zmniejszeniem liczby tych komponentów, aby zbadać inne zastosowania izolatorów na poziomie układów scalonych.
Źródło z ofweek.com
