Een team onder leiding van Vanderbilt-ingenieurs is erin geslaagd om twee verschillende soorten optische signalen tegelijkertijd over een enkele chip te verzenden.

De doorbraak luidt een potentieel dramatische toename in van het gegevensvolume dat een siliciumchip over een bepaalde periode kan verzenden. Met dit project, het onderzoeksteam ging verder dan theoretische modellen en demonstreerde dual-band optische verwerking, de functionaliteit van silicium als fotonicaplatform aanzienlijk uitbreiden.

Joshua Caldwell, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde, en Cornelius Vanderbilt Professor Sharon Weiss, hoogleraar elektrotechniek, leidde het team, waaronder ook docenten van de Columbia University, de Universiteit van Iowa, en Kansas State University.

Hun onderzoek, "Geleid Mid-IR en Near-IR Light binnen een hybride hyperbolische-materiaal/silicium golfgeleider heterostructuur, " werd online gepubliceerd in Geavanceerde materialen op 1 februari. Het staat op de binnenkant van de omslag van de gedrukte editie van 16 maart van het tijdschrift.

Het werk is een belangrijke vooruitgang in siliciumfotonica, die licht gebruikt in plaats van elektrische signalen om gegevens te verzenden. De behoefte aan snellere en uitgebreidere verwerking heeft de grenzen van het toevoegen van meer draad aan kleinere en kleinere chips nagenoeg overtroffen. wat meer kracht vereist, zorgt voor meer warmte, en de gegevensintegriteit in gevaar brengt. Het gebruik van silicium met patroon om optische signalen te verzenden, verbruikt minder stroom zonder het signaal op te warmen of te verslechteren.

Nog altijd, meer doen met dezelfde chip was een uitdaging. Siliciumgolfgeleiders vormen de belangrijkste bouwsteen van on-chip fotonica, licht beperken en leiden naar functionele optische componenten voor signaalverwerking. Verschillende vormen van licht hebben verschillende golfgeleiders nodig, maar lineaire schaling om meer golfgeleiders op te nemen, zou snel de beschikbare ruimte van een siliciumchip in de standaardvormfactor overtreffen.

"Het was moeilijk om nabij-infrarood- en midden-infraroodtransmissie in hetzelfde apparaat te combineren, " zei Mingze He, een Vanderbilt werktuigbouwkunde Ph.D. student en eerste auteur van de paper.

Twee innovaties - een nieuwe benadering en apparaatgeometrie - zorgden ervoor dat ongelijksoortige lichtfrequenties binnen dezelfde structuur konden worden geleid. Dergelijke frequentiemultiplexing is niet nieuw, maar de mogelijkheid om de bandbreedte binnen dezelfde beschikbare ruimte uit te breiden is dat wel.

Gebruikmakend van de infrarode eigenschappen van hexagonaal boornitride, onderzoekers bedachten een hybride, hyperbolisch-silicium fotonisch golfgeleiderplatform. In het midden-infrarood, de structuur van het hBN-kristal kan een nieuw type optische modus ondersteunen, een hyperbolische fonon-polariton. Deze hyperbolische polaritonen bleken lange, mid-infrarood golflengten van licht binnen nanoschaal dikte platen, waarbij de optische modi het pad van de onderliggende siliciumgolfgeleider volgen.

De aanpak vereist geen extra fabricage van de hBN en kan tegelijkertijd signaalverwerking en chemische detectiemodaliteiten ondersteunen, zonder de noodzaak om de vormfactor van het apparaat uit te breiden.

"De opname van de mid-IR biedt veelbelovende mogelijkheden voor het combineren van signaalverwerking met chemische detectie, of modulatieschema's die niet mogelijk zijn met alleen bijna-IR-signalen, ' zei Caldwell.

Mid-IR wordt veel gebruikt in de chemische en agrarische industrie; toepassingen van near-IR omvatten telecommunicatie en medische diagnostiek.