基于芯片的光学谐振器 创纪录的低UV光损耗

研究人员已经创建了基于芯片的光子谐振器，该谐振器在光谱的紫外（UV）和可见光区域工作，并展示出创纪录的低UV光损耗。新的谐振器为增加UV光子集成电路（PIC）设计的尺寸、复杂性和保真度奠定了基础，这可以使新的基于芯片的微型设备应用于光谱传感、水下通信和量子信息处理等领域。

耶鲁大学的研究团队成员Chengxing He说：“与电信光子学和可见光子学等发展较好的领域相比，紫外光子学的研究较少，尽管在基于原子/离子的量子计算中需要紫外波长来访问某些原子跃迁，并激发某些荧光分子用于生化传感。我们的工作为构建在紫外波长下工作的光子电路奠定了良好的基础。”

在《光学快报》中，研究人员描述了基于氧化铝的光学微谐振器，以及他们如何通过将合适的材料与优化的设计和制造相结合，在紫外波长下实现了前所未有的低损耗。

研究人员创造了一种基于芯片的环形谐振器，该谐振器在光谱的紫外和可见光区域工作，并显示出创纪录的低紫外光损失。谐振器（中间的小圆圈）显示为蓝光。

研究小组负责人唐红说：“我们的工作表明，紫外光PIC已经达到了一个临界点，波导的光损失不再明显比可见光波导差。这意味着所有为可见光和电信波长开发的有趣PIC结构，如频率梳和注入锁定，也可以应用于紫外波长。”

减少光损失

微谐振器由高质量氧化铝薄膜制成，该薄膜由Entegris股份有限公司的合著者Carlo Waldfried和Jun-Fei Zheng使用高度可扩展的原子层沉积（ALD）工艺制备。氧化铝的大带隙（~8eV）使其对紫外光子透明，紫外光子的能量比带隙低得多（~4eV）。因此，这种材料不会吸收紫外波长。

“之前的记录是由氮化铝完成的，其带隙约为6eV，”他说。“与单晶氮化铝相比，非晶ALD氧化铝的缺陷较少，制造难度较小，这有助于我们实现更低的损耗。”

为了制造微谐振器，研究人员蚀刻氧化铝，以制造通常所说的肋形波导，其中一块顶部有条纹的板创建了光限制结构。随着肋形波导变深，限制变强，散射损失也变强。他们使用模拟来找到合适的蚀刻深度，以实现所需的光限制，同时最大限度地减少散射损失。

制作环形谐振器

研究人员应用他们从波导中学到的知识，创造了半径为400微米的环形谐振器。他们发现，当400纳米厚的氧化铝薄膜的蚀刻深度超过80纳米时，在488.5纳米波长处的辐射损耗可以抑制到小于0.06分贝/厘米，在390纳米波长处的辐射损耗可以抑制到小于0.001分贝/厘米。

在根据这些计算制造环形谐振器后，研究人员通过测量谐振峰的宽度来确定其Q因子，同时扫描注入谐振器的光频率。他们发现在390 nm（光谱的紫外部分）的记录高Q因子为1.5×10⁶，在488.5 nm（可见蓝光的波长）的Q因子为1.9×10⁶。较高的Q因子表明光损失较小。

何说：“与可见光或电信波长的PIC相比，UV PIC可能在通信方面具有优势，因为其带宽更大，或者在其他波长被吸收的情况下，例如在水下。此外，用于制造氧化铝的原子层沉积工艺与CMOS兼容，这为CMOS与非晶氧化铝基光子学的集成铺平了道路。”

研究人员目前正在开发氧化铝基环形谐振器，可以调节到不同波长。这可用于实现精确的波长控制，或通过使用相互干扰的两个谐振器来创建调制器。他们还希望开发一种PIC集成的紫外光源，以形成一个完整的基于PIC的紫外系统。

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