图：研究人员创造了一种基于芯片的环形谐振器，该谐振器在紫外线和可见光范围工作，并表现出创纪录的低紫外线损耗。谐振器（中间的小圆圈）显示为蓝光。来源：Chengxing He, Yale University

       研究人员已经创造出了基于芯片的光子谐振器，它可以在光谱的紫外(UV)和可见光区域工作，并表现出创纪录的低紫外光损耗。新的谐振器为增加紫外光子集成电路(PIC)设计的尺寸、复杂性和保真度奠定了基础，这可以使新的基于微型芯片的器件用于光谱传感、水下通信和量子信息处理等应用。

       “与电信光子学和可见光子学等更成熟的领域相比，紫外光子学的探索较少，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，并激发用于生化传感的某些荧光分子，”耶鲁大学的研究小组成员Chengxing He说。“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Optics Express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正确的材料与优化的设计和制造相结合，在紫外波长下实现前所未有的低损耗。

       “我们的工作表明，UV PICs已经达到了一个临界点，波导的光损耗不再比可见光的光损耗严重，”研究小组的负责人Hong Tang说。“这意味着为可见光和电信波长开发的所有有趣的PIC结构，如频率梳和注入锁定，也可以应用于紫外波长。”

减少光损耗

       微谐振器由高质量的氧化铝薄膜制成，该薄膜是由来自integris公司使用高度可扩展的原子层沉积(ALD)工艺制备的。氧化铝的大带隙(~ 8eV)使其对具有比带隙低得多(~4eV)能量的紫外光子透明。因此，这种材料不吸收紫外线。

       “之前的记录是用氮化铝完成的，它的带隙为~6eV，”他说。“与单晶氮化铝相比，无定形ALD氧化铝的缺陷更少，制造难度更小，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来制造通常被称为脊波导，在脊波导中，顶部有一条带的板形成了限制光的结构。脊骨越深，约束越强，但散射损失也越大。他们通过模拟来找到合适的蚀刻深度，以实现所需的光约束，同时最大限度地减少散射损失。

制造环形谐振器

       研究人员将他们从波导中学到的知识应用于制造半径为400微米的环形谐振器。他们发现，在400 nm厚的氧化铝薄膜中，当蚀刻深度超过80 nm时，在488.5 nm处的辐射损失可以被抑制到小于0.06 dB/cm，在390 nm处的辐射损失可以被抑制到小于0.001 dB/cm。

       在基于这些计算制造出环形谐振器后，研究人员通过测量谐振峰的宽度来确定Q因子，同时扫描注入谐振器的光频率。他们发现，在390纳米处(在光谱的紫外部分)，Q因子达到了创纪录的1.5 e6，在488.5纳米处(可见蓝光的波长)，Q因子达到了1.9 e6。q因子越高，光损耗越少。

       他说:“与可见光或电信波长的PICs相比，由于带宽更大，或者在其他波长被吸收的条件下(如水下)，UV PICs可能在通信中具有优势。”“此外，用于制造氧化铝的原子层沉积工艺与CMOS兼容，这一事实为CMOS与非晶氧化铝基光子学的集成铺平了道路。”

       研究人员现在正致力于开发基于氧化铝的环形谐振器，这种谐振器可以调谐到不同的波长。这可以用于实现精确的波长控制或通过使用两个相互干扰的谐振器来创建调制器。他们还想开发一种集成PIC的UV光源，以形成一个完整的基于PIC的UV系统。

1. Chengxing He et al, Ultra-high Q alumina optical microresonators in the UV and blue bands, Optics Express (2023). DOI: 10.1364/OE.492510

来源：Optica