フォトニクスの発見､シリコンチップ効率向上の前兆

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｡