Une équipe dirigée par des ingénieurs de Vanderbilt a réussi à transmettre simultanément deux types différents de signaux optiques sur une même puce.

Cette percée annonce une augmentation potentiellement spectaculaire du volume de données qu'une puce de silicium peut transmettre sur n'importe quelle période de temps. Avec ce projet, l'équipe de recherche est allée au-delà des modèles théoriques et a démontré un traitement optique double bande, étendre considérablement la fonctionnalité du silicium en tant que plate-forme photonique.

Josué Caldwell, professeur agrégé de génie mécanique, et Cornelius Vanderbilt Professeur Sharon Weiss, professeur de génie électrique, a dirigé l'équipe, qui comprenait également des membres du corps professoral de l'Université de Columbia, l'Université de l'Iowa, et l'Université d'État du Kansas.

Leurs recherches, « Lumière guidée dans le moyen-IR et le proche-IR dans une hétérostructure hybride matériau hyperbolique/guide d'ondes en silicium, " a été publié en ligne dans Matériaux avancés le 1er février. Il figure sur la couverture intérieure de l'édition imprimée du 16 mars du journal.

Le travail est une avancée importante dans la photonique sur silicium, qui utilise la lumière plutôt que des signaux électriques pour transmettre des données. Le besoin d'un traitement plus rapide et étendu a presque dépassé les limites de l'ajout de plus de fil à des puces de plus en plus petites, qui demande plus de puissance, crée plus de chaleur, et risque l'intégrité des données. L'utilisation de silicium à motifs pour transmettre des signaux optiques consomme moins d'énergie sans chauffer ni dégrader le signal.

Toujours, faire plus avec la même puce a été un défi. Les guides d'ondes en silicium constituent le principal bloc de construction de la photonique sur puce, confiner la lumière et l'acheminer vers des composants optiques fonctionnels pour le traitement du signal. Différentes formes de lumière ont besoin de différents guides d'ondes, mais la mise à l'échelle linéaire pour accueillir plus de guides d'ondes dépasserait rapidement l'espace disponible d'une puce de silicium dans le facteur de forme standard.

"Il a été difficile de combiner la transmission infrarouge proche et infrarouge moyen dans le même appareil, " dit Mingze He, un doctorat en génie mécanique Vanderbilt. étudiant et premier auteur de l'article.

Deux innovations - une nouvelle approche et une nouvelle géométrie de l'appareil - ont permis de guider des fréquences de lumière disparates au sein de la même structure. Un tel multiplexage de fréquence n'est pas nouveau, mais la possibilité d'étendre la bande passante dans le même espace disponible l'est.

Tirer parti des propriétés infrarouges du nitrure de bore hexagonal, les chercheurs ont conçu un hybride, plate-forme de guide d'ondes photonique hyperbolique-silicium. Dans le moyen infrarouge, la structure du cristal hBN peut supporter un nouveau type de mode optique appelé polariton phonon hyperbolique. Il a été démontré que ces polaritons hyperboliques guident longtemps, longueurs d'onde de l'infrarouge moyen dans des dalles d'épaisseur nanométrique, avec les modes optiques suivant le chemin du guide d'ondes en silicium sous-jacent.

L'approche ne nécessite aucune fabrication supplémentaire du hBN et peut prendre en charge simultanément les modalités de traitement du signal et de détection chimique, sans qu'il soit nécessaire d'étendre le facteur de forme de l'appareil.

"L'inclusion du mid-IR offre des opportunités prometteuses pour combiner le traitement du signal avec la détection chimique, ou des schémas de modulation impossibles avec des signaux proches de l'IR seuls, " a déclaré Caldwell.

Mid-IR est largement utilisé dans les industries chimiques et agricoles; les applications du proche infrarouge comprennent les télécommunications et les diagnostics médicaux.