Forskere viser, at silicium kan gengive fysiske fænomener, der udnyttes af avancerede telekommunikationsenheder

Semiconductor Industry Association har anslået, at ved de nuværende stigninger, computernes energibehov vil overstige verdens samlede effekt i 2040.

Brug af lys frem for elektricitet til at flytte data ville reducere computerchips energiforbrug dramatisk, og de sidste 20 år har oplevet bemærkelsesværdige fremskridt i udviklingen af ​​siliciumfotonik, eller optiske enheder, der er fremstillet af silicium, så de let kan integreres med elektronik på siliciumchips.

Men eksisterende silicium-fotoniske enheder er afhængige af andre fysiske mekanismer, end de avancerede optoelektroniske komponenter i telekommunikationsnetværk gør. Telekomapparaterne udnytter såkaldte andenordens ikke-lineariteter, som gør optisk signalbehandling mere effektiv og pålidelig.

I det seneste nummer af Natur fotonik , MIT-forskere præsenterer en praktisk måde at indføre andenordens ikke-lineariteter i siliciumfotonik. De rapporterer også prototyper af to forskellige silicium -enheder, der udnytter disse ikke -lineariteter:en modulator, som koder data på en optisk stråle, og en frekvensdobler, en komponent, der er afgørende for udviklingen af ​​lasere, der præcist kan indstilles til en række forskellige frekvenser.

I optik, et lineært system er et system, hvis output altid er på de samme frekvenser som dets input. Så en frekvensdobler, for eksempel, er en iboende ikke -lineær enhed.

"Vi har nu muligheden for at have en andenordens ikke-linearitet i silicium, og dette er den første rigtige demonstration af det, "siger Michael Watts, en lektor i elektroteknik og datalogi ved MIT og seniorforfatter på det nye papir.

"Nu kan du bygge en fasemodulator, der ikke er afhængig af fribærereffekten i silicium. Fordelen er, at fribærereffekten i silicium altid har en fase- og amplitudekobling. Så når du ændrer bærerkoncentrationen, du ændrer både fasen og amplituden af ​​den bølge, der passerer igennem den. Med anden ordens ikke-linearitet, du bryder den kobling, så du kan have en ren fasemodulator. Det er vigtigt for mange applikationer. Det er bestemt vigtigt i kommunikationsområdet. "

Den første forfatter på det nye papir er Erman Timurdogan, der afsluttede sin ph.d. på MIT sidste år og nu er i silicium-fotonikfirmaet Analog Photonics. Han og Watts får selskab af Matthew Byrd, en MIT -kandidatstuderende i elektroteknik og datalogi, og Christopher Poulton, der lavede sin master i Watts gruppe og også nu er på Analog Photonics.

Fede løsninger

Hvis en elektromagnetisk bølge kan betragtes som et mønster af regelmæssige op-og-ned-vridninger, en digital modulator forstyrrer det mønster på faste måder for at repræsentere strenge af nuller og ener. I en siliciummodulator, stien, som lysbølgen tager, er defineret af en bølgeleder, hvilket snarere ligner en skinne, der løber langs toppen af ​​modulatoren.

Eksisterende siliciummodulatorer er dopede, hvilket betyder, at de har fået tilsat urenheder gennem en standardproces, der anvendes i transistorfremstilling. Nogle dopingmaterialer giver silicium af p-typen, hvor "p" er for "positiv, "og nogle giver n-type silicium, hvor "n" er for "negativ". I nærvær af et elektrisk felt, frie bærere-elektroner, der ikke er forbundet med særlige siliciumatomer-har en tendens til at koncentrere sig i silicium af n-type og at forsvinde i p-type silicium.

En konventionel siliciummodulator er halv p-type og halv n-type silicium; selv bølgelederen er delt lige ned på midten. På hver side af bølgelederen er der elektroder, og ændring af spændingen på tværs af modulatoren skiftevis koncentrerer og spreder frie bærere i bølgelederen, at modulere et optisk signal, der passerer.

MIT -forskernes enhed er ens, bortset fra at midten af ​​modulatoren - inklusive bølgelederen, der løber langs toppen - er udopet. Når der spændes, de gratis transportører samler ikke i midten af ​​enheden; i stedet, de opbygger sig ved grænsen mellem n-typen silicium og det udopede silicium. En tilsvarende positiv ladning opbygges ved grænsen til silicium af p-typen, producere et elektrisk felt, hvilket modulerer det optiske signal.

Fordi de frie bærere i midten af ​​en konventionel siliciummodulator kan absorbere lette partikler - eller fotoner - der bevæger sig gennem bølgelederen, de formindsker styrken af ​​det optiske signal; modulatorer, der udnytter andenordens ikke-lineariteter, står ikke over for det problem.

Henter hastighed

I princippet, de kan også modulere et signal hurtigere end eksisterende siliciummodulatorer gør. Det er fordi det tager mere tid at flytte gratis transportører ind og ud af bølgelederen, end det gør at koncentrere og frigive dem ved grænserne med det udopede silicium. Det nuværende papir rapporterer simpelthen fænomenet ikke -lineær modulering, men Timurdogan siger, at holdet siden har testet
prototyper af en modulator, hvis hastigheder er konkurrencedygtige med de ikke -lineære modulatorer, der findes i telenet.

Frekvensdobleren, som forskerne demonstrerede, har et lignende design, bortset fra at regionerne af p- og n-dopet silicium, der flankerer det centrale område af udoperet silicium, er arrangeret i bånd med regelmæssig afstand, vinkelret på bølgelederen. Afstandene mellem båndene er kalibreret til en bestemt bølgelængde af lys, og når der påføres en spænding på tværs af dem, de fordobler frekvensen af ​​det optiske signal, der passerer gennem bølgelederen, kombinerer par fotoner til enkeltfotoner med dobbelt så stor energi.

Frekvensdoblere kan bruges til at bygge ekstraordinært præcise optiske ure på chip, optiske forstærkere, og kilder til terahertz -stråling, som har lovende sikkerhedsprogrammer.

"Silicon har haft en enorm renæssance inden for det optiske kommunikationsrum til en række forskellige applikationer, "siger Jason Orcutt, en forsker i Institut for Fysiske Videnskaber ved IBM's Thomas J. Watson Research Center. "Imidlertid, der er stadig resterende applikationsrum-fra mikrobølge fotonik til kvanteoptik-hvor manglen på andenordens ikke-lineære effekter i silicium har forhindret fremskridt. Dette er et vigtigt skridt i retning af at løse en bredere vifte af applikationer inden for de modne silicium-fotoniske platforme rundt om i verden. "

"Til dato, bestræbelser på at opnå andenordens ikke-lineære effekter i silicium har fokuseret på hårde materialevidenskabelige problemer, "Tilføjer Orcutt." [MIT] -holdet har været ekstremt klogt ved at minde fysikmiljøet om, hvad vi ikke skulle have glemt. Anvendelse af et enkelt elektrisk felt skaber den samme grundlæggende krystalpolarisationsvektor, som andre forskere har arbejdet hårdt på at skabe med langt mere komplicerede midler. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.