Tsunami på en siliciumchip:en verdens første for lysbølger

En tsunami holder sin bølgeform over meget lange afstande over havet, bevarer sin magt og 'information' langt fra kilden.

Inden for kommunikationsvidenskab, opbevaring af information i en optisk fiber, der spænder over kontinenter, er afgørende. Ideelt set, dette kræver manipulation af lys i siliciumchips ved fiberkilden og modtagelsesenden uden at ændre bølgeformen af ​​den fotoniske informationspakke. At gøre det har undgået forskere indtil nu.

Et samarbejde mellem University of Sydney Nano Institute og Singapore University of Technology and Design har for første gang manipuleret en lysbølge, eller fotonisk information, på en siliciumchip, der bevarer sin overordnede 'form'.

Sådanne bølger - hvad enten det er en tsunami eller en fotonisk informationspakke - er kendt som 'solitons'. Teamet i Sydney-Singapore har for første gang observeret 'soliton' dynamik på en ultra-siliciumrig nitrid (USRN) enhed fremstillet i Singapore ved hjælp af topmoderne optiske karakteriseringsværktøjer i Sydney Nano.

Dette grundlæggende arbejde, udgivet i dag i Laser &fotonik anmeldelser , er vigtig, fordi de fleste kommunikationsinfrastrukturer stadig er afhængige af siliciumbaserede enheder til spredning og modtagelse af information. Manipulerende solitons on-chip kan muligvis muliggøre hurtigere fotonisk kommunikationsudstyr og infrastruktur.

Ezgi Sahin, en ph.d. studerende på SUTD gennemførte eksperimenterne med Dr. Andrea Blanco Redondo ved University of Sydney.

"Observationen af ​​kompleks soliton -dynamik baner vejen for en lang række applikationer, ud over pulskomprimering, til optisk signalbehandling på chip, "Sagde fru Sahin." Jeg er glad for at være en del af dette store partnerskab mellem de to institutioner med et dybt samarbejde på tværs af teori, fremstilling og måling af enheden. "

Medforfatter af undersøgelsen og direktør for Sydney Nano, Professor Ben Eggleton, sagde:"Dette repræsenterer et stort gennembrud inden for området solitonfysik og er af grundlæggende teknologisk betydning.

"Solitoner af denne art-såkaldte Bragg-solitoner-blev først observeret for omkring 20 år siden i optiske fibre, men er ikke blevet rapporteret på en chip, fordi standard siliciummaterialet, som chips er baseret på, begrænser forplantningen. Denne demonstration, som er baseret på en let modificeret version af silicium, der undgår disse begrænsninger, åbner feltet for et helt nyt paradigme til manipulation af lys på en chip. "

Professor Dawn Tan, en medforfatter af papiret på SUTD, sagde:"Vi var i stand til overbevisende at demonstrere Bragg-solitondannelse og fission på grund af det unikke Bragg-gitterdesign og den ultra-siliciumrige nitridmaterialeplatform (USRN), vi brugte. Denne platform forhindrer tab af information, der har kompromitteret tidligere demonstrationer."

Solitons er pulser, der formerer sig uden at ændre form og kan overleve kollisioner og interaktioner. De blev først observeret i en skotsk kanal for 150 år siden og er velkendte i forbindelse med tsunamibølger, som formerer sig tusinder af kilometer uden at ændre form.

Optiske solitonbølger er blevet undersøgt siden 1980'erne i optiske fibre og giver et enormt løfte for optiske kommunikationssystemer, fordi de tillader data at blive sendt over lange afstande uden forvrængning. Bragg solitons, som stammer deres egenskaber fra Bragg -gitre (periodiske strukturer ætset ind i siliciumsubstratet), kan studeres i omfang af chipteknologi, hvor de kan udnyttes til avanceret signalbehandling.

De kaldes Bragg solitons efter den australskfødte Lawrence Bragg og hans far William Henry Bragg, der først diskuterede begrebet Bragg -refleksion i 1913 og vandt Nobelprisen i fysik. De er det eneste far og søn -par, der har vundet nobelpriser.

Bragg -solitoner blev først observeret i 1996 i Bragg -gitre i optiske fibre. Dette demonstrerede professor Eggleton, mens han arbejdede på sin ph.d. hos Bell Labs.

Bragg-gitterindretningens siliciumbaserede karakter sikrer også kompatibilitet med komplementær behandling af metaloxidhalvleder (CMOS). Evnen til pålideligt at starte soliton -komprimering og fission gør det muligt at generere ultrahurtige fænomener med længere impulser end tidligere krævet. Chipskala-miniaturiseringen fremskynder også hastigheden af ​​optiske signalprocesser i applikationer, der kræver kompakthed.