Kaliforniya Texnologiya İnstitutunun tədqiqatçıları işığı silikon lövhələr üzərindən olduqca az siqnal itkisi ilə keçirməyin, görünən dalğa uzunluqlarında optik lif səviyyələrinə yaxınlaşan səviyyələrə çatmağın bir yolunu tapıblar. Bu irəliləyiş, optik saatlardan və giroskoplardan tutmuş süni intellekt məlumat mərkəzi rabitəsinə və kvant hesablamalarına qədər potensial istifadə sahələri ilə yeni nəsil yüksək dərəcədə əlaqəli və enerjiyə qənaət edən fotonik inteqral sxemləri (PIC) dəstəkləyə bilər.

Optik lif artıq müasir rabitənin arxasındakı gizli infrastrukturun böyük bir hissəsini təşkil edir. Lifin içərisindəki şüşə son dərəcə təmiz olduğundan və səthi olduqca hamar olduğundan, məlumatın yüksək sürətlə uzun məsafələrə yayılmasına imkan verir. Nəticədə, bir ucuna daxil olan işığın əksəriyyəti udulmadan, səpələnmədən və ya başqa şəkildə itirilmədən digər ucuna çata bilər. Tədqiqatçılar bunu ultra aşağı itki performansı adlandırırlar.

“İllərdir ki, biz optik lifin makara əsaslı istehsalını silikon lövhələrə çevirmək üzərində işləyirik, eyni zamanda lifin ultra aşağı itki xüsusiyyətini qorumağa çalışırıq”, – deyə Caltech-də İnformasiya Elmləri və Texnologiyaları və Tətbiqi Fizika üzrə Ted və Ginger Jenkins professoru Kerry Vahala (BS ’80, PhD ’85) bildirir. “Optik liflə eyni materialdan hazırlanmış optik dövrələri birbaşa kompüter çipləri üçün istifadə edilən eyni 8 və 12 düymlük lövhələrə çap etmək üçün bir üsul hazırlamışıq. Xüsusilə görünən zolaqlarda lif kimi performansa doğru bu dəyişiklik, əhəmiyyətsiz dərəcədə aşağı dövrə enerji itkisindən faydalanan yeni texnologiyalara imkan verəcək.”

Komanda bu texnikanı bu yaxınlarda Nature jurnalında dərc olunmuş məqalədə təqdim edir . Tədqiqatın aparıcı müəllifləri Kaliforniya Texnologiya Universitetinin doktoranturadan sonrakı alimi Hao-Jing Chen və işi Vahalanın laboratoriyasında aparan aspirant Kellan Colburn (MS ’25)-dir.

Fiber Optik Şüşənin Çiplərə Gətirilməsi

Tədqiqatçılar optik lifdə istifadə edilən eyni tip şüşə olan germanosilikatdan istifadə edərək dalğa bələdçiləri (işığı ötürən nanoölçülü çip yolları) yaradırlar. Onlar materialı lövhələr üzərində cihazlar hazırlamaq üçün uyğun olan litoqrafiya əsaslı istehsal üsuluna uyğunlaşdırırlar.

Dalğa bələdçiləri düz xətt üzrə hərəkət etmək əvəzinə, spiral şəklində düzülmüşdür. Bu, işığın çox kiçik bir sahədə qalaraq daha uzun bir optik yol keçməsinə imkan verir. Bu ideya optik lifin makara ətrafında dolanmasına bənzəyir, lakin nanofabrikasiya yolu daha kiçik bir izə sığdırmağa imkan verir.

“Germano-silikat dalğaötürücüləri son dərəcə aşağı itki nümayiş etdirir və həmçinin optik liflər və yarımkeçirici lazerlər arasında işığı səmərəli şəkildə ötürmək üçün asanlıqla uyğunlaşa bilir ki, bu da server infrastrukturunun ümumi enerji xərclərinin azaldılmasında çox vacibdir”, – deyə Caltech şirkətində tətbiqi fizika və materialşünaslıq üzrə qonaq əməkdaş, fotonik dövrələr üzrə ixtisaslaşmış Emcore şirkətinin baş texnologiya direktoru və bu yaxınlarda dərc olunmuş məqalənin müəllifi Henri Blauvelt (PhD ’83) bildirir.

Görünən Dalğa Uzunluqlarında 20 Qat Üstünlük

Yaxın infraqırmızı dalğa uzunluqlarında yeni Caltech platforması ilə qurulmuş cihazlar artıq silikon nitriddən hazırlanmış ən yaxşı əvvəlki cihazların bəzilərinin performansını təkrarlamışdır. Silikon nitrid optik texnologiyada geniş istifadə olunur, çünki nisbətən az siqnal itkisi ilə məlumat ötürə bilir.

Görünən dalğa uzunluqlarında üstünlük daha böyük olur. Yeni germano-silikat platforması spektrin bu hissəsində silikon nitridi xeyli üstələyir.

Çen deyir ki, “Materialın nisbətən aşağı ərimə temperaturu səbəbindən, dalğa bələdçilərimizin səthini ‘təkrar axıtmaq’ üçün cihazlarımızı sobaya qoya bilərik ki, onların hamarlığını fərdi atomlar səviyyəsinə endirək və bu da ənənəvi görünən PIC-ləri məhdudlaşdıran ciddi səpələnmə itkisini əsasən azaldır.” “Görünən dalğa uzunluqlarında son platformamız silikon nitridin rekordunu 20 dəfə üstələyir və təkmilləşdirmək üçün daha çox imkanımız var.”

İtkilərin azaldılması optik cihazların işinə ciddi təsir göstərə bilər. Məsələn, yeni platforma ilə istehsal olunan lazerlər işığının nə qədər müddətə koherent qaldığına görə əvvəlki dizaynlarla müqayisədə 100 dəfədən çox irəliləyiş göstərir.

“Metodumuzun təklif etdiyi genişlənmiş dalğa uzunluğu əhatə dairəsi bir çox vacib atom əməliyyatlarını dəstəkləyəcək və çip miqyaslı atom sensorlarını, optik saatları və ion tələ sistemlərini mümkün edəcək”, – deyə Çen bildirir.

Niyə Kiçik Çiplərin Kilometr Ölçüsü Performansına Ehtiyacı var

Əvvəlcə, metrlərlə və hətta kilometrlərlə məsafələrdə itkiləri ölçmək səyi kiçik bir çipə sığan cihazlar üçün həddindən artıq görünə bilər.

Kolbern etiraf edir ki, tədqiqatçıların kilometrlərlə faizlə təsvir edilə bilən itkilərə yönəlməsi ilk baxışdan “bir az gülünc” görünə bilər. “Axı, çiplərimizin diametri cəmi 2 santimetrdir. Amma əslində bunun çox güclü olacağı bir çox tətbiq var”, – deyə o bildirir.

Bir nümunə, həm elmi tədqiqatlarda, həm də məlumat ötürülməsində istifadə olunan əsas optik cihaz olan halqa rezonatorudur. İşıq cihaza daxil olur və halqaya yönəldilir və orada uzun müddət dövran etməyə davam edə bilir. Bu təkrarlanan dövran müəyyən tezliklərdə işığı gücləndirir.

Fiziki halqanın ölçüsü cəmi bir neçə millimetr olsa da, işığın qət etdiyi ümumi effektiv məsafə dalğa ötürücüsündən hər dəfə ətrafa yayıldıqda nə qədər az enerji itirilməsindən asılıdır.

Kolburn deyir ki, “Metrlər və ya nəticədə kilometrlər üzrə aşağı itki həqiqətən vacibdir. İşıq nə qədər uzun dövr edə bilirsə, nəticədə yaranan cihazların performansı bir o qədər yüksək ola bilər.”

Koherentliyi artırmaq üçün bu rezonatorlara etibar edən lazerlər üçün fayda sürətlə artır. İtkinin hər 10 faktor azalması koherentlikdə 100 faktor yaxşılaşmaya səbəb olur.

Optik Saatlardan Kvant Texnologiyasına

Görünən dalğa uzunluqları boyunca ultra aşağı itkili dalğa bələdçiləri yaratmaq qabiliyyəti bir çox fərqli texnologiya üçün faydalı ola bilər.

Vahala deyir ki, “Bunun bu qədər cəlbedici olmasının səbəblərindən biri də onun İsveçrə ordusu bıçağı keyfiyyətinə malik olmasıdır — geniş şəraitdə tətbiq oluna bilər”.

Bu çox yönlülüyü nümayiş etdirmək üçün tədqiqatçılar məqalələrində yeni materialdan hazırlanmış bir neçə cihazı təsvir edirlər. Bunlara halqa rezonatorları, çoxsaylı lazer növləri və müxtəlif tezlik diapazonu yarada bilən qeyri-xətti rezonatorlar daxildir.

Tədqiqatçılar həmçinin mövcud nəticələri son nöqtə deyil, erkən mərhələ kimi görürlər.

Vahala deyir ki, “İstədiyimiz qədər irəliləməmişik, amma son beş ildə əhəmiyyətli irəliləyişlər əldə etmişik və burada məhz bu barədə məlumat veririk”.

Məqalə “Bənövşəyidən yaxın infraqırmızıya fotonik inteqrasiya üçün lif kimi itkiyə doğru” adlanır. Əlavə Caltech müəllifləri aspirantlar Peng Liu (MS ’24), Hongrui Yan, Jinhao Ge (MS ’24), Jin-Yu Liu (MS ’24) və Phineas Lehan; keçmiş aspirant Qing-Xin Ji (PhD ’25); keçmiş postdoktorantura alimi Zhiquan Yuan (PhD ’24); və Yay Bakalavr Tədqiqat Təqaüd Proqramının bir hissəsi olaraq tədqiqatda iştirak edən Hanfei Hou-dur. UC Santa Barbara və Hollandiyadakı Leiden Universitetindən Dirk Bouwmeester və Birləşmiş Krallıqdakı Sauthempton Universitetindən Christopher Holmes və James Gates də müəlliflərdir. İş Müdafiə Qabaqcıl Tədqiqat Layihələri Agentliyi, Hərbi Hava Qüvvələri Tədqiqat Laboratoriyası, Mühəndislik və Fizika Elmləri Tədqiqat Şurası və Caltech-dəki Kavli Nanoelm İnstitutunun qrantları ilə maliyyələşdirilib.