光子学新突破预示着硅芯片将显著提高效率

由范德比尔特大学工程师领导的一个团队已经实现了在单个芯片上同时传输两种不同类型的光信号的能力。

这一突破预示着，硅芯片在任何时间内能传输的数据量可能会大幅增加。在这个项目中，研究团队超越了理论模型，展示了双频光学处理，大大扩展了硅作为一个光子学平台的功能。

机械工程副教授Joshua Caldwell和电气工程教授Cornelius Vanderbilt教授Sharon Weiss领导的团队，团队成员还包括来自哥伦比亚大学、爱荷华大学和堪萨斯州立大学的教师。

他们研究的“在混合双曲材料/硅波导异质结构中引导中红外和近红外光”于2月1日发表在《先进材料》网站上。《华尔街日报》3月16日印刷版的内页上将刊登这篇文章。

这项工作是硅光子学的一个重要进展，硅光子学使用光而不是电信号来传输数据。对更快和扩展处理的需求几乎已经超过了为越来越小的芯片添加更多电线的限制，这需要更多的电力，产生更多的热量，并面临数据完整性的风险。使用图形化硅来传输光信号，在不加热或降低信号的情况下使用更少的功率。

研究人员设计了一种双曲硅混合光子波导平台，在同一个芯片上同时传输中红外和近红外光，展示了双频光处理。

不过，在同样的芯片上做更多的工作一直具有挑战性。硅波导提供了片上光子学的基本构造块，限制光并将其路由到功能光学元件以进行信号处理。不同形式的光需要不同的波导，但是为了容纳更多的波导而进行的线性缩放将很快超过硅芯片的标准形状因子的可用空间。

该论文第一作者、范德堡大学机械工程博士生何明泽(音)说：“在同一台设备中，很难将近红外和中红外传输结合起来。”

两项创新，一种新颖的方法和一种几何形状；允许不同频率的光被引导到同一结构中。这种频率多路复用并不新鲜，但在相同的可用空间内扩展带宽的能力却是创新的。

利用六方氮化硼的红外特性，研究人员设计了一种双曲硅混合光子波导平台。在中红外中，hBN晶体结构可以支持一种名为双曲声子极化子的新型光学模式。这些双曲极化激元被证明可以在纳米厚度的平板内引导长、中红外波长的光，其光学模式沿着底层硅波导的路径行进。

该方法不需要任何额外的hBN工艺，可以支持信号处理和化学传感模式同时，不需要扩大设备的外形尺寸。

Caldwell说：“mid-IR的加入，为将信号处理与化学传感或调制方案结合在一起提供了不错的前景，这是仅靠近红外信号无法实现的。”

Mid-IR广泛应用于化工、农业等行业，近红外的应用包括电信和医疗诊断。

原文链接：https://phys.org/news/2021-03-photonics-discovery-portends-efficiencies-silicon.html