麻省理工学院工程师展示了硅中的二阶非线性 2017-04-11 10:04:14

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麻省理工学院的一项新研究揭示了将二阶非线性引入硅光子学的实用方法,表明硅可以再现高端电信设备所利用的物理现象

半导体行业协会估计,按照目前的增长速度,计算机的能源需求将会增加到2040年超过世界总功率输出使用光而不是电来移动数据将大大降低计算机芯片的能耗,过去20年来硅光子学或硅制光学器件的发展取得了显着进展它们很容易与硅芯片上的电子器件集成但现有的硅光子器件依赖于不同的物理机制而不是电信网络中的高端光电元件

电信设备利用所谓的二阶非线性,使光信号处理更多高效可靠最新一期的“自然光子学”,麻省理工学院的研究人员提出了一种将二阶非线性引入硅光子学的实用方法

他们还报告了利用这些非线性的两种不同硅器件的原型:一种将数据编码到光束上的调制器,以及倍频器,对于激光器开发至关重要的组件,可以精确调整到一系列不同的频率在光学系统中,线性系统的输出总是与其输入频率相同所以例如,倍频器是固有的非线性器件“我们现在能够在硅片中具有二阶非线性,这是第一次真实的演示,”麻省理工学院电子工程和计算机科学副教授,新任高级作者Michael Watts说

论文“现在你可以建立一个不依赖于硅中自由载流子效应的相位调制器

有利于自由载流子效应硅片中的t总是具有相位和幅度耦合所以无论何时你改变载流子浓度,你都要改变通过它的波的相位和幅度

使用二阶非线性,你打破了耦合,所以你可以拥有一个纯相位调制器这对很多应用来说很重要当然在通信领域,重要的是“新论文的第一作者是Erman Timurdogan,他去年在麻省理工学院完成了博士学位,现在是硅光子学公司Analog Photonics He麻省理工学院电气工程和计算机科学研究生Matthew Byrd和Watts博士团队的Christopher Poulton以及现在的Analog Photonics Dopey解决方案如果电磁波可以被认为是一种模式常规的上下波浪形,数字调制器以固定的方式扰乱该模式以表示零和1的串在硅调制器中,光波所采用的路径由波导定义,波导更像是沿着调制器顶部延伸的轨道

现有的硅调制器是掺杂的,这意味着它们通过晶体管制造中使用的标准工艺添加了杂质

材料产生p型硅,其中“p”表示“正”,而一些产生n型硅,其中“n”表示“负”在存在电场的情况下,自由载流子 - 电子是与特定硅原子无关 - 倾向于集中在n型硅中并在p型硅中耗散

传统的硅调制器是半p型和半n型硅;甚至波导也在中间向下分裂在波导的两侧都是电极,并且改变调制器两端的电压交替地集中和消散波导中的自由载流子,以调制通过麻省理工学院研究人员设备的光学信号是类似的,除了调制器的中心 - 包括沿其顶部延伸的波导 - 是未掺杂的当施加电压时,自由载流子不会聚集在器件的中心;相反,它们在n型硅和未掺杂的硅之间的边界处积聚

相应的正电荷在与p型硅的边界处积聚,产生电场,这是调制光信号的原因

 因为传统硅调制器中心的自由载流子可以吸收穿过波导的光粒子或光子,它们会降低光信号的强度;利用二阶非线性的调制器不会遇到这个问题拾取速度原则上,它们也可以比现有的硅调制器更快地调制信号那是因为它需要更多的时间将自由载流子移入和移出波导而不是确切地集中并释放它们在未掺杂硅的边界当前的论文只是报告非线性调制的现象,但Timurdogan说团队已经测试了调制器的原型,其速度与电信中的非线性调制器相比具有竞争力

网络研究人员展示的倍频器具有类似的设计,除了在未掺杂硅的中心区域侧面的p-和n-掺杂硅的区域以规则间隔的带排列,垂直于波导

带之间的距离是校准到特定波长的光,当在它们之间施加电压时,它们使f加倍光信号通过波导的频率,将光子对组合成具有两倍能量的单光子倍频器可用于构建极其精确的片上光学时钟,光放大器和太赫兹辐射源,具有很好的安全应用IBM在Thomas J Watson研究中心物理科学系的研究人员Jason Orcutt说:“硅在光通信领域已经在各种应用领域取得了巨大的复兴

”然而,仍有剩余的应用空间 - 来自微波光子学量子光学 - 硅中缺乏二阶非线性效应阻碍了进展这是迈向全球成熟硅光子平台中更广泛应用的重要一步“”迄今为止,努力实现第二个 - 硅中的非线性效应集中在硬物质 - 科学问题上,“Orcut t补充说:“麻省理工学院的团队一直非常聪明,提醒物理学界我们不应该忘记什么应用一个简单的电场产生相同的基本晶体偏振矢量,其他研究人员通过更复杂的方式努力创造”出版物:E Timurdogan等,“电场引起的二阶非线性光学效应在硅波导中”,Nature Photonics(2017)doi:101038 / nphoton201714来源:Larry Hardesty,麻省理工学院新闻