Los investigadores han creado un chip integrado fotónico de carburo de silicio (SiC) que se puede ajustar térmicamente aplicando una señal eléctrica. El enfoque podría usarse algún día para crear una amplia gama de dispositivos reconfigurables, como cambiadores de fase y acopladores ópticos sintonizables necesarios para aplicaciones de redes y procesamiento de información cuántica.

Aunque la mayoría de los chips ópticos y de computadora están hechos de silicio, Existe un interés creciente en el SiC porque exhibe mejores propiedades térmicas, propiedades eléctricas y mecánicas que el silicio al mismo tiempo que es biocompatible y opera en longitudes de onda desde el visible al infrarrojo.

En la revista The Optical Society (OSA) Letras de óptica , Los investigadores dirigidos por Ali Adibi del Instituto de Tecnología de Georgia detallan cómo integraron un microcalentador y un dispositivo óptico llamado resonador microring en un chip de SiC. El logro representa el primer interruptor óptico de SiC totalmente integrado y sintonizable térmicamente que opera en longitudes de onda del infrarrojo cercano.

"Dispositivos como el que demostramos en este trabajo se pueden utilizar como bloques de construcción para dispositivos de procesamiento de información cuántica de próxima generación y para crear sensores y sondas biocompatibles, ", dijo el primer autor del artículo, Xi Wu.

El SiC es particularmente atractivo para aplicaciones de comunicación y computación cuántica porque tiene defectos que pueden controlarse ópticamente y manipularse como bits cuánticos. o qubits. La computación y las comunicaciones cuánticas prometen ser significativamente más rápidas que la computación tradicional para resolver ciertos problemas porque los datos están codificados en qubits que pueden estar en cualquier combinación de dos estados a la vez. permitiendo que muchos procesos se realicen simultáneamente.

Fabricación a nivel de obleas

El nuevo trabajo se basa en el desarrollo previo de los investigadores de una plataforma llamada SiC cristalino sobre aislante que supera parte de la fragilidad y otros inconvenientes de las plataformas de SiC informadas anteriormente al tiempo que proporciona una ruta fácil y confiable para la integración con dispositivos electrónicos.

"La plataforma de SiC sobre aislante en la que fue pionero nuestro grupo es similar a la tecnología de silicio sobre aislante ampliamente utilizada en la industria de semiconductores para una variedad de aplicaciones, "dijo Tianren Fan, miembro del equipo de investigación. "Permite la fabricación a nivel de oblea de dispositivos de SiC, allanando el camino hacia la comercialización de soluciones integradas de procesamiento de información cuántica fotónica basadas en SiC, "dijo Ali A. Eftekhar, miembro del equipo de investigación.

Aprovechar al máximo las capacidades únicas de la nueva plataforma requirió desarrollar la capacidad de ajustar sus propiedades ópticas de modo que una estructura basada en un solo chip pueda usarse para proporcionar diferentes funciones. Los investigadores lograron esto mediante el uso del efecto termoóptico en el que el cambio de temperatura de un material modifica sus propiedades ópticas, como el índice de refracción.

Comenzaron fabricando diminutas cavidades ópticas en forma de anillo, o resonadores microring, utilizando la tecnología cristalina de SiC sobre aislante. En cada resonador, luz en ciertas longitudes de onda, llamado sus longitudes de onda de resonancia, viajar alrededor del anillo aumentará la fuerza a través de la interferencia constructiva. Entonces, el resonador puede usarse para controlar la amplitud y la fase de la luz en una guía de ondas acoplada a él. Para crear un resonador sintonizable con un alto grado de control, los investigadores fabricaron calentadores eléctricos encima de los microrings. Cuando se aplica una corriente eléctrica al microcalentador integrado, aumenta localmente la temperatura del microring de SiC y, por lo tanto, cambia sus longitudes de onda resonantes gracias al efecto termoóptico.

Prueba del dispositivo integrado

Los investigadores probaron el rendimiento de los micro-resonadores y microcalentadores integrados fabricados aplicando diferentes niveles de potencia eléctrica y luego midiendo la transmisión óptica de la guía de ondas acoplada al resonador de micro-espejos. Sus resultados mostraron que es posible lograr resonadores de alta calidad con sintonización térmica de baja potencia a través de un dispositivo robusto que se puede fabricar utilizando los procesos de fundición de semiconductores existentes.

"Combinado con otras características únicas de nuestra plataforma cristalina de SiC sobre aislante, Estos dispositivos de alta calidad tienen los requisitos básicos para habilitar nuevos dispositivos a escala de chip que operan en una amplia gama de longitudes de onda. "dijo Ali Adibi, el líder del equipo. "Esta capacidad de ajuste a escala de chip es esencial para realizar las operaciones cuánticas necesarias para la computación y la comunicación cuánticas. Además, debido a la biocompatibilidad del SiC, podría ser muy útil para la biodetección in vivo ".

Los investigadores ahora están trabajando para construir elementos con la plataforma cristalina de SiC sobre aislante para circuitos integrados fotónicos cuánticos. incluyendo láseres de bomba en chip, fuentes de fotón único y detectores de fotón único que se podrían utilizar con el resonador de microrregulación sintonizable para crear un chip completamente funcional para la computación cuántica óptica avanzada.

Este trabajo es el resultado de tres años de investigación exhaustiva para formar una plataforma híbrida confiable con propiedades del material de SiC considerablemente mejoradas y su uso para formar dispositivos innovadores. Xi Wu, Fan de Tianren, y Ali A. Eftekhar del grupo de investigación de Ali Adibi contribuyeron enormemente a este trabajo. Hesam Moradinejad, un ex miembro del grupo de investigadores de Adibi, también contribuyó al desarrollo de la plataforma (publicado anteriormente). Este trabajo fue financiado principalmente por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (AFOSR) con el número de concesión FA9550-15-1-0342 (G. Pomrenke).