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フォトニクスの発見、シリコンチップ効率向上の前兆

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March, 16, 2021, Nashville--Vanderbilt大学エンジニアチームは、単一チップで2つの異なるタイプの光信号を同時伝送する機能を達成した。

そのブレイクスルーは、1個のシリコンチップが任意の期間に伝送できるデータ量の劇的な増加の幕開けとなる。このプロジェクトで研究チームは、理論モデルを超えて、デュアルバンド処理をを実証し、フォトニクスプラットフォームとしてのシリコンの機能を大葉に拡張した。

機械工学准教授Joshua Caldwellと
Cornelius Vanderbilt教授Sharon Weissは、研究チームリーダー。チームには、コロンビア大学、アイオワ大学、カンザス州立大学のメンバーも含まれる。

この研究、“Guided Mid‐IR and Near‐IR Light within a Hybrid Hyperbolic‐Material/Silicon Waveguide Heterostructure”は、Advanced Materialsに発表された。

研究は、シリコンフォトニクスにおける重要な前進である。ここでは、データ転送に電気ではなく光を使う。ますます高速になる拡張処理の必要性は、一段と小さくなるチップに増やせるファイバ数の限界を上回り、必要な消費電力の増加、加熱、データの完全性を危険にさらす。光信号転送にパタンシリコンを利用すると、加熱や信号の劣化なしに、消費電力を下げられる。

しかし、同じチップで、もっと多くのことをするのは簡単ではなかった。シリコン導波路は、オンチップフォトニクスの主要な構成要素であり、光を閉じ込め、信号処理のための機能性光コンポーネントに光をルーティングする。多様な光形式は、異なる導波路を必要とするが、より多くの導波路を収容するように直線的に拡張すると、標準形状ではシリコンチップの利用手可能な空間を簡単に上回る。

「同じデバイスに近赤外と中赤外伝送を統合することは困難だった」と論文の主筆Vanderbilt機械工学Ph.D学生、Mingze Heは話している。

2つのイノベーション、新たなアプローチと新たなデバイス形状により、光の異なる周波数を同じ構造内で導波できた。そのような周波数多重は新しくはないが、利用できる同じ空間内で帯域を拡張する機能は新しい。

六方晶窒化ホウ素(hBN)の赤外特性を活用し、チームはハイブリッド、ハイパーボリックシリコンフォトニック導波路プラットフォームを考案した。中赤外で、hBN結晶の構造は、ハイパーボリックフォノンポラリトンという新しいタイプの光モードをサポートできる。このハイパーボリックポラリトンは、ナノスケール厚スラブで、遠赤外、中赤外波長の光を導波できることを実証した。光モードは、下層シリコ導波路のパスに従う。

そのアプローチは、hBNの追加製造を必要としない、また信号処理と化学センシング法を同時にサポートできる、デバイス形状を拡張する必要はない。

「中赤外を包含すると、信号処理と化学的センシング、NIR信号だけではできない変調スキームを統合する有望な機会が得られる」とCaldwellは説明している。

Mid-IRは、化学や農業産業で広く利用されている。NIRアプリケションは、通信や医療診断を含む。