Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Ουάσινγκτον στο Σεντ Λούις (WUSTL), το EPFL και το MIT ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο ετερογενούς φωτονικής ολοκλήρωσης, χρησιμοποιώντας αυτόνομες μονοκρυσταλλικές νανομεμβράνες. Η σχετική μελέτη των Yuan Meng και συνεργατών δημοσιεύθηκε στο περιοδικό «Nature», προτείνοντας μια λύση στα προβλήματα ασυμβατότητας πλέγματος των παραδοσιακών μεθόδων.
Η τεχνική των δυνάμεων van der Waals
Αντί για την απευθείας ανάπτυξη υλικών πάνω σε υποστρώματα πυριτίου, η ερευνητική ομάδα κατασκευάζει τις λεπτές μεμβράνες στα καταλληλότερα αρχικά υποστρώματα και στη συνέχεια τις αποκολλά. Στη συνέχεια, οι μεμβράνες αυτές ενσωματώνονται σε τυχαίες φωτονικές πλατφόρμες μέσω δυνάμεων van der Waals, λειτουργώντας ως δομικά στοιχεία τύπου Lego.
Η μέθοδος επιτρέπει την κατακόρυφη στοίβαξη ή την οριζόντια συρραφή διαφορετικών υλικών, προσθέτοντας νέες λειτουργίες σε καθιερωμένες φωτονικές πλατφόρμες όπως το πυρίτιο και το νιτρίδιο του πυριτίου.
Εφαρμογές και επιδόσεις συσκευών
Χρησιμοποιώντας μονοκρυσταλλικό τιτανικό βάριο (BaTiO3) πάνω σε τσιπ πυριτίου, οι ερευνητές πέτυχαν ηλεκτροοπτική διαμόρφωση με συντελεστή Pockels 950 pm/V, δηλαδή 30 φορές υψηλότερο από τα συμβατικά υλικά. Παράλληλα, διαμορφωτής MZM πέτυχε εύρος ζώνης άνω των 23 GHz.
Επιπλέον, η ενσωμάτωση νανομεμβρανών αρσενικούχου γαλλίου (GaAs) και νιτριδίου του γαλλίου (GaN) διεύρυνε το φάσμα φωτοανίχνευσης, ενώ η χρήση φερρίτη κοβαλτίου (CoFe2O4) πρόσφερε μαγνητοοπτική απομόνωση με γωνία Faraday 33.800 μοιρών ανά εκατοστό.
Προοπτικές για πολυλειτουργικά συστήματα
Η ομάδα απέδειξε επίσης τη δυνατότητα κατακόρυφης στοίβαξης διαφορετικών μεμβρανών πάνω από τον ίδιο συντονιστή πυριτίου, δημιουργώντας υβριδικές συσκευές με ταυτόχρονο ηλεκτρικό και μαγνητικό έλεγχο του φωτός.
Η τεχνολογία αυτή ανοίγει νέους δρόμους για τις οπτικές επικοινωνίες, τους αισθητήρες, τη φωτονική υπολογιστική και τις κβαντικές τεχνολογίες, επιτρέποντας τη σύνθεση υλικών με ποιότητα που δεν ήταν εφικτή με τις παραδοσιακές μεθόδους ετεροεπικαλυψίας.