En hundrede tusind gange forbedring af siliciums ikke-linearitet

Et team af forskere ledet af Osaka University og National Taiwan University skabte et system af nanoskala siliciumresonatorer, der kan fungere som logiske porte for lysimpulser. Dette arbejde kan føre til den næste generation af siliciumbaserede computerprocessorer, der bygger bro mellem elektroniske og optiske signaler.

Silicium er blandt de rigelige grundstoffer på vores planet - og er grundlaget for al moderne databehandling. Det er, fra smartphones til mainframes, al beregning sker baseret på elektriske signaler, der strømmer gennem siliciumtransistorer. Det er nemt at lave kontakter og logiske porte ud fra elektroniske signaler, da spændinger kan styre strømmen i andre ledninger. Imidlertid, data på internettet sendes primært som lysimpulser over fiberoptiske kabler. Evnen til at styre både data og logik fuldstændigt med lys på silicium kunne føre til meget hurtigere enheder.

Udfordringen er, at partikler af lys, kaldet fotoner, næppe interagere med hinanden, så pulser kan ikke tænde eller slukke for hinanden for at udføre logiske opgaver. Ikke-lineær optik er det fagområde, der arbejder på at finde materialer, hvor lysstråler på en eller anden måde interagerer. Desværre, ikke-lineariteten af ​​enkeltkrystal silicium er ekstremt svag, så i fortiden, det var nødvendigt at bruge meget intense lasere.

Nu, forskere ved Osaka University og National Taiwan University har øget ikke-lineariteten af ​​silicium 100, 000 gange ved at skabe en nano-optisk resonator, så helt optiske kontakter kan betjenes ved hjælp af en kontinuerlig laveffektlaser. De opnåede dette ved at fremstille små resonatorer fra blokke af silicium mindre end 200 nm i størrelse. Laserlys med en bølgelængde på 592 nm kan blive fanget inde og hurtigt opvarme blokkene, baseret på princippet om Mie resonans. "En Mie-resonans opstår, når størrelsen af ​​en nanopartikel matcher et multiplum af lysets bølgelængde, " siger forfatteren Yusuke Nagasaki.

Med en nanoblok i en termo-optisk induceret varm tilstand, en anden laserimpuls ved 543 nm kan passere næsten uden spredning, hvilket ikke er tilfældet, når den første laser er slukket. Blokken kan køle med afslapningstider målt i nanosekunder. Denne store og hurtige ikke-linearitet fører til potentielle applikationer for GHz all-optisk kontrol på nanoskala. "Silicon forventes at forblive det foretrukne materiale til optiske integrerede kredsløb og optiske enheder, " siger seniorforfatter Junichi Takahara.

Det nuværende arbejde giver mulighed for optiske kontakter, der fylder meget mindre end tidligere forsøg. Dette fremskridt åbner vejen for direkte on-chip-integration samt super-opløsning billeddannelse.