由范德比爾特大學(xué)工程師領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在單個(gè)芯片上同時(shí)傳輸兩種不同類(lèi)型的光信號(hào)的能力。

這一突破預(yù)示著，硅芯片在任何時(shí)間內(nèi)能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量可能會(huì)大幅增加。在這個(gè)項(xiàng)目中，研究團(tuán)隊(duì)超越了理論模型，展示了雙頻光學(xué)處理，大大擴(kuò)展了硅作為一個(gè)光子學(xué)平臺(tái)的功能。

機(jī)械工程副教授Joshua Caldwell和電氣工程教授Cornelius Vanderbilt教授Sharon Weiss領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)成員還包括來(lái)自哥倫比亞大學(xué)、愛(ài)荷華大學(xué)和堪薩斯州立大學(xué)的教師。

他們研究的“在混合雙曲材料/硅波導(dǎo)異質(zhì)結(jié)構(gòu)中引導(dǎo)中紅外和近紅外光”于2月1日發(fā)表在《先進(jìn)材料》網(wǎng)站上�！度A爾街日?qǐng)?bào)》3月16日印刷版的內(nèi)頁(yè)上將刊登這篇文章。

這項(xiàng)工作是硅光子學(xué)的一個(gè)重要進(jìn)展，硅光子學(xué)使用光而不是電信號(hào)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。對(duì)更快和擴(kuò)展處理的需求幾乎已經(jīng)超過(guò)了為越來(lái)越小的芯片添加更多電線的限制，這需要更多的電力，產(chǎn)生更多的熱量，并面臨數(shù)據(jù)完整性的風(fēng)險(xiǎn)。使用圖形化硅來(lái)傳輸光信號(hào)，在不加熱或降低信號(hào)的情況下使用更少的功率。

研究人員設(shè)計(jì)了一種雙曲硅混合光子波導(dǎo)平臺(tái)，在同一個(gè)芯片上同時(shí)傳輸中紅外和近紅外光，展示了雙頻光處理。

不過(guò)，在同樣的芯片上做更多的工作一直具有挑戰(zhàn)性。硅波導(dǎo)提供了片上光子學(xué)的基本構(gòu)造塊，限制光并將其路由到功能光學(xué)元件以進(jìn)行信號(hào)處理。不同形式的光需要不同的波導(dǎo)，但是為了容納更多的波導(dǎo)而進(jìn)行的線性縮放將很快超過(guò)硅芯片的標(biāo)準(zhǔn)形狀因子的可用空間。

該論文第一作者、范德堡大學(xué)機(jī)械工程博士生何明澤(音)說(shuō)：“在同一臺(tái)設(shè)備中，很難將近紅外和中紅外傳輸結(jié)合起來(lái)�！�

兩項(xiàng)創(chuàng)新，一種新穎的方法和一種幾何形狀；允許不同頻率的光被引導(dǎo)到同一結(jié)構(gòu)中。這種頻率多路復(fù)用并不新鮮，但在相同的可用空間內(nèi)擴(kuò)展帶寬的能力卻是創(chuàng)新的。

利用六方氮化硼的紅外特性，研究人員設(shè)計(jì)了一種雙曲硅混合光子波導(dǎo)平臺(tái)。在中紅外中，hBN晶體結(jié)構(gòu)可以支持一種名為雙曲聲子極化子的新型光學(xué)模式。這些雙曲極化激元被證明可以在納米厚度的平板內(nèi)引導(dǎo)長(zhǎng)、中紅外波長(zhǎng)的光，其光學(xué)模式沿著底層硅波導(dǎo)的路徑行進(jìn)。

該方法不需要任何額外的hBN工藝，可以支持信號(hào)處理和化學(xué)傳感模式同時(shí)，不需要擴(kuò)大設(shè)備的外形尺寸。

Caldwell說(shuō)：“mid-IR的加入，為將信號(hào)處理與化學(xué)傳感或調(diào)制方案結(jié)合在一起提供了不錯(cuò)的前景，這是僅靠近紅外信號(hào)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的�！�

Mid-IR廣泛應(yīng)用于化工、農(nóng)業(yè)等行業(yè)，近紅外的應(yīng)用包括電信和醫(yī)療診斷。

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