Интегрированные когерентные источники ультрафиолетового (УФ) излучения необходимы для широкого спектра применений — от квантовых вычислений на основе ионов и оптических часов до газоанализаторов и микроскопов. Однако уменьшить источники ультрафиолетового излучения до размеров чипа оказалось непросто, поскольку этот свет быстро теряет мощность при прохождении через оптические волноводы, что до сих пор ограничивало возможности практического применения.
Команда под руководством Гарвардского профессора электротехники Марко Лончара, профессора Тианцай Линя, продемонстрировала фотонное устройство микронного масштаба на основе тонкопленочного ниобата лития, которое генерирует в 100 раз больше ультрафиолетового излучения на чипе, чем предыдущие аналоги. Исследование, опубликованное в Nature Communications, демонстрирует, что ниобат лития является перспективной платформой для компактной, эффективной и мощной генерации ультрафиолетового излучения.
Вместо того чтобы пытаться направить ультрафиолетовый свет напрямую, устройство генерирует его самостоятельно, преобразуя красный свет в ультрафиолетовый. Этот процесс, называемый повышением частоты, заключается в объединении двух красных фотонов внутри кристалла ниобата лития, который очень эффективно преобразует частоту, в один ультрафиолетовый фотон с более высокой энергией.
Внутри устройства свет проходит по волноводам — микроскопическим каналам, вытравленным в материале. Для эффективного преобразования красного света в ультрафиолетовый необходимо аккуратно переворачивать кристаллическую структуру через равные промежутки вдоль волновода. Этот процесс нанопроизводства, известный как поляризация, является серьезным препятствием для создания такой точной структуры на субмикронном уровне в устройствах длиной в сантиметр (около 0,4 дюйма).
Прежние методы были компромиссными. Поляризация всей пленки снижала гибкость при исправлении производственных дефектов, а формирование волноводов в первую очередь ограничивало эффективность, поскольку электроды располагались слишком далеко и лишь частично воздействовали на материал.
Команда решила эту проблему с помощью метода, который называется «подкопка сбоку».
Вместо того чтобы размещать электроды только поверх пленки, они расположили металлические «пальцы» с четким рисунком непосредственно по бокам волновода. Небольшое напряжение, подаваемое во время изготовления, переворачивает кристаллические домены в строго заданном порядке.
Команда сообщает о 4,2 милливаттах встроенного в микросхему источника ультрафиолетового излучения с длиной волны 390 нанометров, что примерно в 120 раз больше, чем у предыдущих тонкопленочных устройств на основе ниобата лития, работающих в этом диапазоне. В более ранних разработках мощность составляла всего десятки микроватт, чего было достаточно для демонстрации концепции, но недостаточно для практического применения