Döteryum, çip dalga kılavuzlarının kızılötesi darbelerden geniş bant ışık üretmesini sağlar

Singapur Teknoloji ve Tasarım Üniversitesi’nden (SUTD) Doçent Dawn Tan ve A*STAR Mikroelektronik Enstitüsü’nün (A*STAR IME) Silikon Fotonik Bölümü başkanı Dr. Luo Xianshu liderliğindeki Singapur’dan bir araştırma ekibi, bir çip üzerinde geniş bant ışık üreten düşük kayıplı bir silikon nitrür dalga kılavuzu geliştirdi. Ekip, hidrojeni daha ağır izotopu olan döteryumla değiştirerek, düşük sıcaklıkta bir işlem kullanarak 8 inçlik bir plaka üzerinde düşük kayıplı SiN dalga kılavuzunu üretti ve bu, büyük ölçekli üretim ve CMOS uyumlu yarı iletken işlemlerle entegrasyon potansiyelini ortaya koydu.

Yayınlandığı yer Optik Ekspres“Yonga ölçeğinde, düşük kayıplı döteryumlanmış silikon nitrür dalga kılavuzunda oktav kapsayan süper süreklilik üretimi” makalesi, kızılötesi lazer darbelerini görünür kırmızıdan derin kızılötesine kadar uzanan bir spektruma uzatan çip ölçekli bir dalga kılavuzunu göstermektedir.

Lazerler, tek bir renkte ışık yaydıkları için renk saflıkları nedeniyle ödüllendirilirler, ancak en zorlu teknolojilerin çoğu, aynı anda muazzam bir spektrum taramasına yayılan bir ışın gerektirir. Bu sözde süper sürekli ışık, yüksek çözünürlüklü tıbbi görüntülemeyi, hassas ölçümü ve optik saatlerin hatasız çalışmasını sağlayan frekans taraklarını desteklemektedir.

Günümüzün süper süreklilik kaynakları çoğunlukla özel olarak tasarlanmış optik fiber etrafında inşa edilmiştir, ancak bunlar hantaldır, güce açtır ve bir çip üzerine küçültülmesi zordur. En uyumlu çip malzemesi silikon nitrürdür, ancak onu yeterince şeffaf hale getirmek, kalın filmlerin çatlamasına neden olacak kadar aşırı koşullar gerektirir. Standart yarı iletken fabrikaları da bu süreci karşılayamıyor.

Doktora öğrencisi ve makalenin ilk yazarı Yao Wang, “Birincil boşluk, kompakt, enerji tasarruflu ve entegre edilebilir ışık kaynaklarına olan ihtiyaçtır” dedi. “Fiber tabanlı sistemler standart olmasına rağmen hacimlidirler ve çiplere kolayca entegre edilemezler.”

Döteryum ısı sorununu çözüyor

Geleneksel silisyum nitrür ile ilgili sorun hidrojene kadar uzanıyor. Filmler tipik olarak silan gazından büyütülür ve arkasında silikon-hidrojen bağları bırakarak tam olarak telekomünikasyon sistemlerinin kullandığı dalga boylarında ışığı emer. Bu bağların temizlenmesi, 1.200 santigrat dereceye kadar saatlerce tavlama gerektirir; bu, elektronik devre taşıyan hiçbir çipin hayatta kalamayacağı ve kalın filmlerde sakatlayıcı stres oluşturan bir sıcaklıktır.

Böylece araştırmacılar sıradan silanı döteryumlanmış kuzeni ile değiştirdiler ve her bir hidrojen atomunu daha ağır izotop döteryumla değiştirdiler.

Tan, “Bu ikame fiziksel bir değişim sağlıyor. Emilim zirvesi telekomünikasyon aralığından 2,1 mikronluk bölgeye doğru hareket ediyor” diye açıkladı. “Işık artık çalışma dalga boyunda emilmediğinden, yüksek sıcaklıkta pişirme işlemine artık gerek yok.”

Ortaya çıkan üretim süreci basittir. 800 nanometre kalınlığında bir film, standart yarı iletken hatların termal bütçesi dahilinde, 400 santigrat derecenin altında tek bir adımda, ana çip üretiminde kullanılan format olan tam 8 inçlik bir levha boyunca biriktirildi. Tamamlanan dalga kılavuzları santimetre başına yalnızca 0,54 desibel ışık kaybediyor; bu, 5,21 santimetrelik bir cihazın spektral genişlemenin gerektirdiği yoğun optik etkileşimleri sürdürmesine yetecek kadar düşük.

Luo, “Asıl zorluk, fotonik tasarımı, plaka ölçeğinde gerekli optik performansı sağlayabilecek bir sürece dönüştürmekti. SUTD’nin doğrusal olmayan fotonik uzmanlığını A*STAR IME’nin süreç geliştirme ve üretim yetenekleriyle birleştirerek, ölçeklenebilir üretime doğru önemli bir adım attık” dedi.

Kızılötesi darbelerden görünür kırmızıya

Araştırmacılar dalga kılavuzuna 500 femtosaniyelik kızılötesi darbeler ateşlediğinde, spektrum 1.555 nanometrelik dar bir çizgiden 587 nanometreden 1.883 nanometreye (1.7 oktavlık bir aralık) uzanan bir sürekliliğe doğru balon gibi yükseldi. Bu, spektrumun bir ucundaki ışığın diğer ucundan üç kat daha hızlı salındığı anlamına gelir. Giriş ışığı kızılötesi ve görünmez olmasına rağmen çipten kırmızı ışığın parladığı görülebiliyordu.

Tan, “Bu, cihazın kızılötesi girdiyi görünür aralığa ulaşacak kadar geniş bir spektruma etkili bir şekilde dönüştürdüğünü kanıtladı” dedi.

Genişlik hikayenin sadece yarısıdır. Metroloji ve frekans tarağı uygulamaları için ışığın aynı zamanda tutarlı, kararlı ve darbeden darbeye tekrarlanabilir olması gerekir. Orta düzey nabız enerjilerinde ekip, 0,81’in üzerinde genel bir spektral tutarlılık ölçtü; bu da atıştan atışa iyi bir stabiliteye işaret ediyor.

Tutarlılığın kaymaya başladığı yer

Ancak en yüksek enerjilerde bir değiş tokuş ortaya çıktı: Modülasyon kararsızlığı adı verilen bir etki ışığı karıştırmaya başladıkça spektrum genişledi ancak daha gürültülü hale geldi. Simülasyonlar pratik bir çareye işaret ediyordu. Işık, gürültü yayılmadan önce kabaca ilk santimetrelik yolculuk boyunca oldukça tutarlı kalır. Dalga kılavuzu uzunluğunun optimize edilmesi, darbe ilerledikçe tutarlılık bozulmadan önce kullanıcıların geniş bir spektrumu hala temiz ve stabil durumdayken yakalamasına olanak tanıyabilir.

Bu iyileştirme, yüksek güçte spektral bütünlüğü ve genişliği en üst düzeye çıkaran dalga kılavuzu tasarımlarının yanı sıra, ekibin sonraki adımlar listesinin başında yer alıyor. Daha büyük hedef tam entegrasyondur: üretim ölçeğinde tıbbi görüntülemeye, hassas metrolojiye ve optik iletişime süper sürekli ışık sağlamak için bu ışık kaynaklarını modülatörler, dedektörler ve diğer bileşenlerle tek bir çip üzerinde eşleştirmek.