Fotonisk krystal og nanotrådskombination fremmer fotonisk integration

I modsætning til den enorme succeshistorie om elektronisk integration, fotonisk integration er stadig i sin vorden. En af de mest alvorlige forhindringer, det står over for, er behovet for at bruge en række forskellige materialer for at opnå forskellige funktioner - i modsætning til elektronisk integration. For at komplicere sagerne yderligere, mange af de materialer, der kræves til fotonisk integration, er ikke kompatible med siliciumintegrationsteknologi.

Hidtil forsøg på at placere en række funktionelle nanotråde i fotoniske kredsløb for at nå ønskede funktionaliteter har vist, at mens det er fuldt muligt, nanotråde har en tendens til at være for små til effektivt at begrænse lyset. Mens større nanotråde kan forbedre lysets indeslutning og ydeevne, det øger både energiforbruget og enhedens fodaftryk - som begge betragtes som "fatale", når det kommer til integration.

Løsning af dette problem, en gruppe af NTT Corp.-forskere i Japan fandt frem til en tilgang, der involverer at kombinere en sub-bølgelængde nanotråd med en fotonisk krystalplatform, som de rapporterer i denne uge i journalen APL fotonik .

Fotoniske krystaller - kunstige strukturer, hvis brydningsindeks er periodisk moduleret - er kernen i deres arbejde.

"En lille lokal brydningsindeksmodulation af en fotonisk krystal producerer en stærk lysindeslutning, der fører til optiske nanoresonatorer af ultrahøj kvalitet, " sagde Masaya Notomi, en fremtrædende videnskabsmand for NTT Basic Research Laboratories. "Vi gør fuld brug af denne særlige funktion i vores arbejde."

Tilbage i 2014, denne samme gruppe demonstrerede, at det var muligt stærkt at begrænse lys i en sub-bølgelængde nanotråd med en diameter på 100 nanometer ved at placere det på en fotonisk siliciumkrystal. På det tidspunkt, "det var en foreløbig demonstration af indespærringsmekanismen, men med vores nuværende arbejde har vi med succes demonstreret sub-bølgelængde-nanowire-enheddrift på en siliciumplatform ved at bruge denne metode, " sagde Notomi.

Med andre ord:Mens en nanotråd med sub-bølgelængde ikke kan blive en resonator med stærk lysindeslutning alene, når det placeres på en fotonisk krystal, forårsager det den brydningsindeksmodulation, der er nødvendig for at generere lysets indeslutning.

"For vores arbejde, vi forbereder omhyggeligt en III-V halvleder nanotråd med tilstrækkelig stor optisk forstærkning og placerer den i en spalte af en fotonisk siliciumkrystal ved at bruge 'nanoprobe manipulation teknikken, ' hvilket resulterer i en optisk nanoresonator, " sagde Masato Takiguchi, papirets hovedforfatter og en forsker, der arbejder i Notomis gruppe ved NTT Basic Research Laboratories. "Med en række omhyggelige karakteristika, Vi har demonstreret, at denne sub-bølgelængde nanotråd kan udvise kontinuerlig bølgelasingoscillation og højhastighedssignalmodulation ved 10 Gbps."

For at bruge nanotrådlasere til fotonisk integration, tre væsentlige krav skal være opfyldt. "Først, en nanotråd skal være så lille som muligt for tilstrækkelig stærk lysindeslutning, som sikrer et ultralille fodaftryk og energiforbrug, " sagde Takiguchi. "For det andet, en nanotrådlaser skal kunne generere højhastighedssignaler. Tredje, laserbølgelængden skal være længere end 1,2 mikron for at undgå absorption i silicium, så det er vigtigt at skabe sub-bølgelængde nanotrådlasere ved optiske kommunikationsbølgelængder - 1,3 til 1,55 mikron - der er i stand til højhastighedssignalmodulation."

Faktisk, tidligere demonstrationer af nanotråd-baserede lasere "har alle været ved bølgelængder kortere end 0,9 mikron, som ikke kan bruges til silicium fotoniske integrerede kredsløb - undtagen en pulseret laserdemonstration af relativt tykke mikron-trådlasere ved 1,55 mikron, " sagde Notomi. Dette er formentlig fordi den materielle gevinst er mindre ved længere bølgelængder, hvilket gør det svært for tynde nanotråde at opnå lasering.

Ud over dette, "Nul demonstrationer af højhastighedsmodulation med nogen former for nanotråde er blevet til virkelighed, " bemærkede han. Dette skyldes også den lille forstærkningsvolumen.

"Med vores nuværende arbejde, vi har løst disse problemer ved at kombinere en nanotråd og en fotonisk siliciumkrystal, " sagde Notomi. "Vores resultat er den første demonstration af kontinuerlig bølge laserende oscillation af en sub-bølgelængde nanotråd, samt den første demonstration af højhastighedssignalmodulation med en nanotrådlaser."

Gruppen var i stand til at opnå 10-Gbps modulering, som kan sammenlignes med konventionel, direkte modulerede højhastighedslasere, der bruges til optisk kommunikation.

"Dette beviser, at nanotrådslasere viser løfte om informationsbehandling - især fotoniske integrerede kredsløb, " sagde Notomi.

Den mest lovende anvendelse for gruppens nuværende arbejde er nanotråd-baserede fotoniske integrationskredsløb, hvortil de vil bruge forskellige forskellige nanotråde til at opnå forskellige funktionaliteter - såsom lasere, fotodetektorer, og kontakter i silicium fotoniske integrerede kredsløb.

"Det forventes, at der vil være behov for processorer udstyret med et on-chip fotonisk netværk inden for omkring 15 år, og nanotråd-baseret fotonisk integration vil være en mulig løsning, " sagde Notomi.

Med hensyn til lasere, gruppens næste mål er at integrere nanotrådlasere med input/output-bølgeledere.

"Selvom denne type integration har været en vanskelig opgave for nanotråd-baserede enheder, vi forventer, at det vil være meget nemmere på vores platform, fordi den fotoniske krystalplatform er iboende overlegen med hensyn til bølgelederforbindelsen, " sagde Takiguchi. "Vi vil også sigte efter strømdrevet lasering ved stuetemperatur."

Gruppen planlægger også at bruge den samme teknik til at skabe "andre fotoniske enheder end lasere ved at vælge forskellige nanotråde, " sagde Takiguchi. "Vi ønsker at demonstrere, at vi er i stand til at integrere en række fotoniske enheder ved at have forskellige funktionaliteter på en enkelt chip."