Preklapljanje enega svetlobnega žarka z drugim, Cornell zagotavlja ključno komponento za fotonske čipe | 2020

Vsebina:

Anonim

Fotonika na silikonu je bila predlagana že od sedemdesetih let prejšnjega stoletja, prejšnje naprave za preklapljanje svetlobnega snopa na siliciju pa so bile dokazane, vendar so bile preveč velike (po standardih mikročipov) ali pa so zahtevale, da je žarek svetlobe, ki preklaplja, zelo močan . Pristop, ki ga je razvil Michal Lipson, Cornellov profesor za elektrotehniko in računalništvo, omejuje žarek, ki ga je treba vklopiti v krožnem resonatorju, kar močno zmanjša potreben prostor in omogoča zelo majhno spremembo indeksa loma za premik materiala iz prozornega v motno.

Napredek tehnik izdelave nanodelcev je v zadnjih nekaj letih omogočil premagovanje nekaterih tradicionalnih omejitev silicijeve fotonike, je dejal Lipson. Fotonična vezja najdejo svojo prvo aplikacijo v usmerjevalnih napravah za optične komunikacije. Trenutno je treba informacije, ki potujejo s svetlobno hitrostjo prek optičnih vlaken, na koncu pretvoriti v električne signale, ki se obdelujejo na običajnih elektronskih čipih, nato pa se v mnogih primerih ponovno pretvorijo v optične signale za retransmisijo, kar je zelo počasen proces. Optično stikalo omogoča, da se ti signali preusmerijo brez pretvorbe.

All-optično stikalo je opisano v izdaji 28. oktobra z naslovom Lipson Nature in člani Cornell Nanophotonics Research Group, ki jo vodi. Raziskovalci so uporabili naprave Cornell NanoScale Facility za izdelavo naprav na silicijevih čipih. "Zelo zaželeno je, da se kot platforma za te fotonske čipe uporabi silicij - prevladujoči material v mikroelektronski industriji," so dejali v svojem prispevku. Skupina je že razvila druge komponente za silicijeve fotonske čipe, vključno z ravnimi in ukrivljenimi valovodi.Ena od ključnih komponent, ki jo potrebujete, pa je način, da en optični signal preklopi na drugo.

Lipsonovo optično stikalo temelji na obročnem resonatorju, napravi, ki jo že poznajo raziskovalci fotonike. Ko je obročast valovod nameščen tangentno na ravno, se fotoni, ki potujejo vzdolž ravnega valovoda, preusmerijo v obroč in potujejo okoli njega večkrat, vendar le, če se ujemajo z resonančno frekvenco obroča, ki je določen z njegovim obodom. . Za prijavljene poskuse so raziskovalci ustvarili obroč 10 mikrometrov v premeru z resonančno valovno dolžino 1 555,5 nanometrov v bližnji infrardeči svetlobi.

Če želite izklopiti stikalo, so v sistemu črpali drugi žarek svetlobe v istem območju valovne dolžine. To svetlobo silicij absorbira proces, znan kot absorpcija dveh fotonov, ki ustvarja veliko prostih elektronov in "lukenj" (pozitivno nabitih območij) v materialu. To spremeni lomni količnik in premakne resonančno frekvenco obroča dovolj daleč, da ne bo več odmevala s 1,555,5-nanometrskim signalom. Proces lahko teoretično poteka v nekaj desetih pikosekundah, so dejali raziskovalci.

Podoben učinek se lahko uporabi v ravnem valovodu, vendar zahteva precej dolge razdalje. Ker svetloba potuje večkrat okoli obroča, se učinek sipanja poveča in signal se lahko nadzoruje na zelo majhnem prostoru.

Za uporabo pri usmerjanju je lahko uporabljen obročni resonator, ki je povezan z dvema valovodoma. Drugi valovod bi sprejel signal samo, ko se vklopi resonator. Ugotovila je, da je zelo malo izgube svetlobe v obroču, kar pomeni, da se lahko svetloba, ki prihaja v usmerjevalno napravo, "reciklira" in pošlje na svojo pot brez dodatnih ojačitev.

Raziskovalci prstanov se lahko uporabijo tudi kot nastavljivi filtri, kot kažejo raziskovalci, na primer za ločevanje številnih valovnih dolžin svetlobe v komunikacijskih sistemih z optičnimi vlakni.

Papir Nature je naslovljen "All-optično stikalo na siliciju: nadzor svetlobe s svetlobo na čipu." Soavtorji sta Vilson Almeida, nekdanji podiplomski študent Cornella, ki je zdaj na Inštitutu za napredne študije v Tehničnem centru brazilskih letalskih sil; Carlos Barrios, nekdanji podoktorski raziskovalec Cornell, zdaj pa znanstvenik v tehnološkem centru za nanophotoniko, Universidad Politénica de Valencia, Španija; in Roberto Panepucci, nekdanji raziskovalec Cornell, zdaj asistent na mednarodni univerzi v Floridi.

Dosedanja dela na področju optičnih valovodov in fotonskega vezanja so opisana v članku z naslovom "Premagovanje omejitev mikroelektronike z uporabo nanophotonikov Si: reševanje izzivov vezave, modulacije in preklapljanja", objavljeno v Inštitutu za fiziko Nanotechnology, 2. avgust 2004.

Povezane spletne strani:

o Cornellova nanofotonična skupina: http://nanophotonics.ece.cornell.edu/

o Prejšnja zgodba Cornell News Service o fotonskih mikročipih: http: //www.news.cornell.edu/releases/Feb04/AAAS.Lipson.ws.html