In tegenstelling tot het enorme succesverhaal van elektronische integratie, fotonische integratie staat nog in de kinderschoenen. Een van de grootste obstakels waarmee het wordt geconfronteerd, is de noodzaak om een ​​verscheidenheid aan materialen te gebruiken om verschillende functies te bereiken, in tegenstelling tot elektronische integratie. Om de zaken nog ingewikkelder te maken, veel van de materialen die nodig zijn voor fotonische integratie zijn niet compatibel met siliciumintegratietechnologie.

Pogingen tot nu toe om een ​​verscheidenheid aan functionele nanodraden in fotonische circuits te plaatsen om de gewenste functionaliteiten te bereiken, hebben aangetoond dat, terwijl het heel goed mogelijk is, nanodraden zijn meestal te klein om licht effectief te beperken. Terwijl grotere nanodraden de lichtopsluiting en prestaties kunnen verbeteren, het verhoogt zowel het energieverbruik als de voetafdruk van het apparaat, die beide als "fataal" worden beschouwd als het gaat om integratie.

Dit probleem aanpakken, een groep NTT Corp.-onderzoekers in Japan kwam met een aanpak waarbij een subgolflengte nanodraad wordt gecombineerd met een fotonisch kristalplatform, die ze deze week in het journaal melden APL Fotonica .

Fotonische kristallen - kunstmatige structuren waarvan de brekingsindex periodiek wordt gemoduleerd - vormen de kern van hun werk.

"Een kleine lokale brekingsindexmodulatie van een fotonisch kristal produceert een sterke lichtopsluiting die leidt tot optische nanoresonatoren van ultrahoge kwaliteit, " zei Masaya Notomi, een senior vooraanstaande wetenschapper voor NTT Basic Research Laboratories. "We maken volledig gebruik van deze specifieke functie in ons werk."

Terug in 2014, deze zelfde groep toonde aan dat het mogelijk was om licht in een subgolflengte nanodraad met een diameter van 100 nanometer sterk in te perken door het op een silicium fotonisch kristal te plaatsen. In die tijd, "het was een voorlopige demonstratie van het opsluitingsmechanisme, maar met ons huidige werk hebben we met behulp van deze methode met succes de werking van nanodraadapparaten op subgolflengten op een siliciumplatform gedemonstreerd. ' zei Notomi.

Met andere woorden:hoewel een nanodraad met een subgolflengte op zichzelf geen resonator kan worden met een sterke lichtopsluiting, wanneer het op een fotonisch kristal wordt geplaatst, veroorzaakt het de brekingsindexmodulatie die nodig is om de lichtopsluiting te genereren.

"Voor ons werk we maken zorgvuldig een III-V halfgeleider nanodraad met voldoende grote optische versterking en plaatsen deze in een gleuf van een silicium fotonisch kristal met behulp van de 'nanoprobe manipulatietechniek, ' wat resulteert in een optische nanoresonator, " zei Masato Takiguchi, de hoofdauteur van het artikel en een onderzoeker die werkt binnen de groep van Notomi bij NTT Basic Research Laboratories. "Met een reeks zorgvuldige karakteriseringen, we hebben aangetoond dat deze sub-golflengte nanodraad continue-golflasing-oscillatie en high-speed signaalmodulatie bij 10 Gbps kan vertonen."

Om nanodraadlasers te gebruiken voor fotonische integratie, aan drie essentiële eisen moet worden voldaan. "Eerst, een nanodraad moet zo klein mogelijk zijn voor voldoende sterke lichtopsluiting, wat zorgt voor een ultrakleine voetafdruk en energieverbruik, ' zei Takiguchi. 'Ten tweede, een nanodraadlaser moet signalen met hoge snelheid kunnen genereren. Derde, de lasergolflengte moet langer zijn dan 1,2 micron om absorptie in silicium te voorkomen, dus het is belangrijk om nanodraadlasers met een subgolflengte te maken met optische communicatiegolflengten - 1,3 tot 1,55 micron - die in staat zijn tot snelle signaalmodulatie."

In feite, eerdere demonstraties van op nanodraad gebaseerde lasers "zijn allemaal op golflengten korter dan 0,9 micron geweest, die niet kan worden gebruikt voor silicium fotonische geïntegreerde schakelingen - behalve een gepulseerde laserdemonstratie van relatief dikke micron-draadlasers bij 1,55 micron, " zei Notomi. Dit komt vermoedelijk omdat de materiële winst kleiner is bij langere golflengten, waardoor het voor dunne nanodraden moeilijk is om laserstraling te bereiken.

Achter dit, "nul demonstraties van hogesnelheidsmodulatie door elk type nanodraden zijn uitgekomen, " merkte hij op. Dit komt ook door het kleine versterkingsvolume.

"Met ons huidige werk, we hebben deze problemen opgelost door een nanodraad en een silicium fotonisch kristal te combineren, "Zei Notomi. "Ons resultaat is de eerste demonstratie van laseroscillatie met continue golven door een nanodraad met een subgolflengte, evenals de eerste demonstratie van signaalmodulatie met hoge snelheid door een nanodraadlaser."

De groep was in staat om 10-Gbps modulatie te bereiken, die vergelijkbaar is met conventionele, direct gemoduleerde hogesnelheidslasers die worden gebruikt voor optische communicatie.

"Dit bewijst dat nanodraadlasers veelbelovend zijn voor informatieverwerking, met name fotonische geïntegreerde schakelingen, ' zei Notomi.

De meest veelbelovende toepassing voor het huidige werk van de groep zijn op nanodraad gebaseerde fotonische integratiecircuits, waarvoor ze verschillende nanodraden zullen gebruiken om verschillende functionaliteiten te bereiken, zoals lasers, fotodetectoren, en schakelaars in silicium fotonische geïntegreerde schakelingen.

"Naar verwachting zullen binnen ongeveer 15 jaar processors nodig zijn die zijn uitgerust met een on-chip fotonisch netwerk, en op nanodraad gebaseerde fotonische integratie zal een mogelijke oplossing zijn, ' zei Notomi.

Op het gebied van lasers, het volgende doel van de groep is om nanodraadlasers te integreren met input/output-golfgeleiders.

"Hoewel dit soort integratie een moeilijke taak was voor op nanodraad gebaseerde apparaten, we verwachten dat het in ons platform veel gemakkelijker zal zijn omdat het fotonische kristalplatform intrinsiek superieur is in termen van de golfgeleiderverbinding, "Zei Takiguchi. "We zullen ook streven naar stroomgestuurde lasers op kamertemperatuur."

De groep is ook van plan om dezelfde techniek te gebruiken om "andere fotonische apparaten dan lasers te maken door verschillende nanodraden te kiezen, "Zei Takiguchi. "We willen aantonen dat we een aantal fotonische apparaten kunnen integreren door verschillende functionaliteiten op een enkele chip te hebben."