De Semiconductor Industry Association schat dat bij de huidige stijging, De energiebehoefte van computers zal in 2040 het totale vermogen van de wereld overtreffen.

Het gebruik van licht in plaats van elektriciteit om gegevens te verplaatsen zou het energieverbruik van computerchips drastisch verminderen. en de afgelopen 20 jaar hebben we opmerkelijke vooruitgang geboekt in de ontwikkeling van siliciumfotonica, of optische apparaten die van silicium zijn gemaakt, zodat ze gemakkelijk kunnen worden geïntegreerd met elektronica op siliciumchips.

Maar bestaande silicium-fotonische apparaten zijn afhankelijk van andere fysieke mechanismen dan de hoogwaardige opto-elektronische componenten in telecommunicatienetwerken. De telecomapparatuur maakt gebruik van zogenaamde niet-lineariteiten van de tweede orde, die optische signaalverwerking efficiënter en betrouwbaarder maken.

In het laatste nummer van Natuurfotonica , MIT-onderzoekers presenteren een praktische manier om niet-lineariteiten van de tweede orde in siliciumfotonica te introduceren. Ze rapporteren ook prototypes van twee verschillende siliciumapparaten die gebruikmaken van die niet-lineariteiten:een modulator, die gegevens codeert op een optische straal, en een frequentieverdubbelaar, een essentieel onderdeel voor de ontwikkeling van lasers die nauwkeurig kunnen worden afgestemd op een reeks verschillende frequenties.

op het gebied van optica, een lineair systeem is een systeem waarvan de uitgangen altijd dezelfde frequenties hebben als de ingangen. Dus een frequentieverdubbelaar, bijvoorbeeld, is een inherent niet-lineair apparaat.

"We hebben nu de mogelijkheid om een ​​niet-lineariteit van de tweede orde in silicium te hebben, en dit is de eerste echte demonstratie daarvan, " zegt Michael Watts, een universitair hoofddocent elektrotechniek en computerwetenschappen aan het MIT en senior auteur van het nieuwe artikel.

"Nu kun je een fasemodulator bouwen die niet afhankelijk is van het vrije-draaggolfeffect in silicium. Het voordeel is dat het vrije-draaggolfeffect in silicium altijd een fase- en amplitudekoppeling heeft. Dus wanneer je de draaggolfconcentratie verandert, je verandert zowel de fase als de amplitude van de golf die er doorheen gaat. Met niet-lineariteit van de tweede orde, je verbreekt die koppeling, dus je kunt een pure fasemodulator hebben. Dat is voor veel toepassingen belangrijk. Zeker op het gebied van communicatie is dat belangrijk."

De eerste auteur van het nieuwe artikel is Erman Timurdogan, die vorig jaar promoveerde aan het MIT en nu bij het silicium-fotonicabedrijf Analog Photonics werkt. Hij en Watts worden vergezeld door Matthew Byrd, een MIT-afgestudeerde student in elektrotechniek en informatica, en Christopher Poulton, die zijn master deed in de groep van Watts en nu ook bij Analog Photonics zit.

Dopey-oplossingen

Als een elektromagnetische golf kan worden gezien als een patroon van regelmatige op-en-neer kronkels, een digitale modulator verstoort dat patroon op vaste manieren om reeksen van nullen en enen weer te geven. In een siliciummodulator, het pad dat de lichtgolf aflegt, wordt bepaald door een golfgeleider, die lijkt op een rail die langs de bovenkant van de modulator loopt.

Bestaande siliciummodulatoren zijn gedoteerd, wat betekent dat er onzuiverheden aan zijn toegevoegd via een standaardproces dat wordt gebruikt bij de productie van transistors. Sommige doteringsmaterialen leveren p-type silicium op, waarbij de "p" staat voor "positief, " en sommige leveren n-type silicium op, waarbij de "n" voor "negatief" is. In aanwezigheid van een elektrisch veld, vrije dragers - elektronen die niet zijn geassocieerd met bepaalde siliciumatomen - hebben de neiging zich te concentreren in n-type silicium en te dissiperen in p-type silicium.

Een conventionele siliciummodulator is half p-type en half n-type silicium; zelfs de golfgeleider is in het midden gespleten. Aan weerszijden van de golfgeleider bevinden zich elektroden, en het veranderen van de spanning over de modulator concentreert en dissipeert afwisselend vrije dragers in de golfgeleider, om een ​​optisch signaal dat doorgaat te moduleren.

Het apparaat van de MIT-onderzoekers is vergelijkbaar, behalve dat het midden van de modulator - inclusief de golfgeleider die langs de bovenkant loopt - ongedoteerd is. Wanneer er een spanning wordt aangelegd, de gratis dragers verzamelen zich niet in het midden van het apparaat; in plaats daarvan, ze stapelen zich op op de grens tussen het n-type silicium en het ongedoteerde silicium. Een overeenkomstige positieve lading bouwt zich op aan de grens met het p-type silicium, het opwekken van een elektrisch veld, dat is wat het optische signaal moduleert.

Omdat de vrije dragers in het midden van een conventionele siliciummodulator lichtdeeltjes - of fotonen - die door de golfgeleider reizen, kunnen absorberen, ze verminderen de sterkte van het optische signaal; modulatoren die gebruik maken van niet-lineariteiten van de tweede orde hebben dat probleem niet.

Snelheid oppikken

In principe, ze kunnen een signaal ook sneller moduleren dan bestaande siliciummodulatoren. Dat komt omdat het meer tijd kost om vrije dragers in en uit de golfgeleider te bewegen dan om ze te concentreren en vrij te geven aan de grenzen met het ongedoteerde silicium. De huidige paper rapporteert eenvoudigweg het fenomeen van niet-lineaire modulatie, maar Timurdogan zegt dat het team sindsdien heeft getest
prototypes van een modulator waarvan de snelheden concurrerend zijn met die van de niet-lineaire modulatoren in telecomnetwerken.

De frequentieverdubbelaar die de onderzoekers demonstreerden heeft een soortgelijk ontwerp, behalve dat de gebieden van p- en n-gedoteerd silicium die het centrale gebied van ongedoteerd silicium flankeren, zijn gerangschikt in banden met regelmatige tussenruimten, loodrecht op de golfgeleider. De afstanden tussen de banden zijn gekalibreerd op een specifieke golflengte van licht, en wanneer er een spanning over wordt aangelegd, ze verdubbelen de frequentie van het optische signaal dat door de golfgeleider gaat, het combineren van fotonenparen tot enkele fotonen met twee keer zoveel energie.

Frequentieverdubbelaars kunnen worden gebruikt om buitengewoon nauwkeurige optische klokken op de chip te bouwen, optische versterkers, en bronnen van terahertzstraling, die veelbelovende beveiligingstoepassingen heeft.

"Silicium heeft een enorme renaissance gehad binnen de optische communicatieruimte voor een verscheidenheid aan toepassingen, " zegt Jason Orcutt, een onderzoeker bij de afdeling Exacte Wetenschappen van IBM's Thomas J. Watson Research Center. "Echter, er zijn nog steeds resterende toepassingsruimten - van microgolffotonica tot kwantumoptica - waar het ontbreken van niet-lineaire effecten van de tweede orde in silicium vooruitgang heeft verhinderd. Dit is een belangrijke stap in de richting van het aanpakken van een breder scala aan toepassingen binnen de volwassen silicium-fotonica-platforms over de hele wereld."

"Daten, inspanningen om niet-lineaire effecten van de tweede orde in silicium te bereiken, hebben zich gericht op harde materiaalwetenschappelijke problemen, " Orcutt voegt toe. "Het [MIT]-team is buitengewoon slim geweest door de natuurkundegemeenschap eraan te herinneren wat we niet hadden mogen vergeten. Het toepassen van een eenvoudig elektrisch veld creëert dezelfde basiskristalpolarisatievector waar andere onderzoekers hard aan hebben gewerkt om te creëren met veel gecompliceerdere middelen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.