Opdagelse af fotonik varsler dramatiske effektivitetsgevinster i siliciumchips

Et team ledet af Vanderbilt-ingeniører har opnået evnen til at transmittere to forskellige typer optiske signaler over en enkelt chip på samme tid.

Gennembruddet varsler en potentielt dramatisk stigning i mængden af ​​data, som en siliciumchip kan transmittere over en hvilken som helst periode. Med dette projekt, forskerholdet bevægede sig ud over teoretiske modeller og demonstrerede dual-band optisk behandling, markant udvidelse af funktionaliteten af ​​silicium som fotonikplatform.

Joshua Caldwell, lektor i maskinteknik, og Cornelius Vanderbilt professor Sharon Weiss, professor i elektroteknik, ledet holdet, som også omfattede fakultetsmedlemmer fra Columbia University, University of Iowa, og Kansas State University.

Deres forskning, "Guidet Mid-IR og Near-IR lys i en hybrid hyperbolsk-materiale/siliciumbølgeleder-heterostruktur, " blev offentliggjort online i Avancerede materialer den 1. februar. Det er vist på indersiden af ​​den trykte udgave af tidsskriftet den 16. marts.

Arbejdet er et vigtigt fremskridt inden for siliciumfotonik, som bruger lys frem for elektriske signaler til at transmittere data. Behovet for hurtigere og udvidet behandling har næsten overskredet grænserne for at tilføje mere tråd til mindre og mindre chips, som kræver mere strøm, skaber mere varme, og risikerer dataintegritet. Brug af mønstret silicium til at transmittere optiske signaler bruger mindre strøm uden at opvarme eller forringe signalet.

Stadig, at gøre mere med den samme chip har været udfordrende. Siliciumbølgeledere udgør den principielle byggesten for on-chip fotonik, begrænse lyset og dirigere det til funktionelle optiske komponenter til signalbehandling. Forskellige former for lys har brug for forskellige bølgeledere, men lineær skalering for at rumme flere bølgeledere ville hurtigt overgå den tilgængelige plads på en siliciumchip i standardformfaktoren.

"Det har været svært at kombinere nær-infrarød og mid-infrarød transmission i samme enhed, " sagde Mingze He, en Vanderbilt maskiningeniør Ph.D. elev og førsteforfatter af papiret.

To innovationer - en ny tilgang og enhedsgeometri - gjorde det muligt at styre forskellige lysfrekvenser inden for den samme struktur. En sådan frekvensmultipleksing er ikke ny, men muligheden for at udvide båndbredden inden for det samme tilgængelige rum er det.

Udnyttelse af de infrarøde egenskaber af hexagonalt bornitrid, forskere udtænkt en hybrid, hyperbolsk-silicium fotonisk bølgeleder platform. I det mellem-infrarøde, strukturen af ​​hBN-krystallen kan understøtte en ny type optisk tilstand kaldet en hyperbolsk fononpolariton. Disse hyperbolske polaritoner blev vist at vejlede længe, mellem-infrarøde bølgelængder af lys inden for nanoskala tykkelse plader, med de optiske tilstande, der følger stien for den underliggende siliciumbølgeleder.

Fremgangsmåden kræver ikke yderligere fremstilling af hBN og kan understøtte signalbehandling og kemiske registreringsmodaliteter samtidigt, uden behov for at udvide enhedsformfaktoren.

"Inkluderingen af ​​mid-IR giver lovende muligheder for at kombinere signalbehandling med kemisk sensing, eller moduleringsskemaer, der ikke er mulige med nær-IR-signaler alene, " sagde Caldwell.

Mid-IR er meget udbredt i den kemiske industri og landbrugsindustrien; anvendelser af nær-IR omfatter telekommunikation og medicinsk diagnostik.