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日期:2020-03-22 19:27:56 | 人气:

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麻省理工学院的工程师展示了硅中的二阶非线性

麻省理工学院的一项新研究揭示了一种将二阶非线性引入硅光子学的实用方法,表明硅可以复制高端电信设备所利用的物理现象

半导体工业协会估计,以目前的速度增长,到2040年,计算机的能源需求将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,并且在过去的20年中,硅光子技术或由硅制成的光学设备的开发取得了显着进展,因此可以轻松地将其与硅上的电子设备集成在一起

筹码

但是,与电信网络中的高端光电组件相比,现有的硅光子设备依赖于不同的物理机制

电信设备利用了所谓的二阶非线性,从而使光信号处理更加有效和可靠

在最新一期的《自然光子学》中,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特性的两种不同硅器件的原型:一个将数据编码到光束上的调制器和一个倍频器,倍频器是对激光发展至关重要的组件,可以精确地调谐到一系列不同的频率

在光学中,线性系统是一种其输出始终与输入相同的频率的系统

因此,例如,倍频器是一种固有的非线性设备

麻省理工学院电气工程与计算机科学副教授,新论文的资深作者迈克尔·沃茨说,我们现在具有在硅中具有二阶非线性的能力,这是对此的首次真正证明

现在,您可以构建一个不依赖硅中自由载流子效应的相位调制器

这样做的好处是硅中的自由载流子效应始终具有相位和幅度耦合

因此,无论何时改变载流子浓度,都将改变通过它的波的相位和幅度

利用二阶非线性,可以打破这种耦合,因此您可以拥有一个纯相位调制器

这对于许多应用程序来说很重要

当然,这在通信领域很重要

新论文的第一作者是埃尔曼·蒂莫尔多安(erman timurdogan),他去年在麻省理工学院完成了博士学位,现在在硅光子公司analog photonics工作

麻省理工学院电气工程与计算机科学专业的研究生matthew byrd和曾在wattss小组做过硕士学位的克里斯托弗·波尔顿(christopher poulton)和他现在也加入了analog photonics

涂料解决方案

如果可以将电磁波视为规霞山区铭悦运输有限公司则的上下波形的图案,则数字调制器会以固定的方式干扰该图案,以表示零和一的字符串

在硅调制器中,光波通过的路径由波导定义,该波导就像沿着调制器顶部延伸的轨道

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

一些掺杂材料产生p型硅,其中p表示正,而一些掺杂n型硅,n表示负

在电场的存在下,与特定硅原子不相关的自由载流子电子倾向于集中在n型硅中,并耗散在p型硅中

常规的硅调制器是一半的p型和一半的n型硅

即使是波导也从中间向下分开

电极在波导的任一侧,并且改变调制器两端的电压会交替地聚集和耗散波导中的自由载流子,以调制通过的光信号

麻省理工学院的研究人员设备与之类似,只是调制器的中心(包括沿其顶部延伸的波导)没有掺杂

施加电压时,自由载流子不会聚集在设备的中央;相反,它们堆积在n型硅和未掺杂硅之间的边界处

相应的正电荷在与p型硅的边界处累积,产生电场,该电场调制光信号

因为在常规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,所以它们会降低光信号的强度;利用二阶非线性的调制器不会面临该问题

提速

原则上,它们还可以比现有的硅调制器更快地调制信号

那是因为将自由载流子移入和移出波导要比集中和释放自由载流子在未掺杂硅的边界上花费更多的时间

目前的论文只是报道了非线性调制的现象,但是帖木儿(timurdogan)说,该小组已经对

速度与电信网络中非线性调制器的速度相抗衡的调制器原型

研究人员展示的倍频器具有类似的设计,除了位于未霞山区铭悦运输有限公司掺杂硅中心区域两侧的p型和n型掺杂硅区域以垂直于波导的规则间隔排列

频带之间的距离被校准为特定波长的光,并且当在频带上施加电压时,它们使通过波导的光信号的频率增加一倍,从而将成对的光子组合成具有两倍能量的单个光子

倍频器可用于构建非常精确的片上光时钟,光放大器和太赫兹辐射源,这在安全应用方面具有广阔的前景

ibm的thomas j. watson研究中心物理科学系的研究员jason orcutt表示,硅在光通信领域中已经历了巨大的复兴,可用于各种应用

然而,从微波光子到量子光学,仍然存在剩余的应用空间,其中硅中缺乏二阶非线性效应阻碍了进展

这是迈向全球成熟的硅光子平台中更广泛的应用范围的重要一步

迄今为止,在硅中实现二阶非线性效应的努力集中在硬材料科学问题上,orcutt补充说

[mit]团队通过提醒物理学界我们应该忘记的东西而变得非常聪明

施加简单的电场会产生与其他研究人员通过更为复杂的方法努力创造的相同的基本晶体极化矢量

出版物:rdogan等人,《硅波导中电场引起的二阶非线性光学效应》,《自然光子学》(2017)doi:10.1038 / nphoton.2017.14

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