Un team guidato dagli ingegneri Vanderbilt ha raggiunto la capacità di trasmettere due diversi tipi di segnali ottici su un singolo chip contemporaneamente.

La svolta annuncia un aumento potenzialmente drammatico del volume di dati che un chip di silicio può trasmettere in qualsiasi periodo di tempo. Con questo progetto, il team di ricerca è andato oltre i modelli teorici e ha dimostrato l'elaborazione ottica a doppia banda, ampliando significativamente la funzionalità del silicio come piattaforma fotonica.

Giosuè Caldwell, professore associato di ingegneria meccanica, e Cornelius Vanderbilt professoressa Sharon Weiss, professore di ingegneria elettrica, ha guidato la squadra, che comprendeva anche docenti della Columbia University, l'Università dell'Iowa, e Kansas State University.

La loro ricerca, "Luce guidata nel medio infrarosso e nel vicino infrarosso all'interno di un'eterostruttura ibrida di materiale iperbolico/guida d'onda in silicio, " è stato pubblicato online in Materiale avanzato il 1 febbraio. È presente sulla copertina interna dell'edizione cartacea del 16 marzo della rivista.

Il lavoro è un importante progresso nella fotonica del silicio, che utilizza la luce anziché i segnali elettrici per trasmettere i dati. La necessità di un'elaborazione più rapida ed estesa ha quasi superato i limiti dell'aggiunta di più filo a chip sempre più piccoli, che richiede più potenza, crea più calore, e rischia l'integrità dei dati. L'uso di silicio modellato per trasmettere segnali ottici consuma meno energia senza riscaldare o degradare il segnale.

Ancora, fare di più con lo stesso chip è stato impegnativo. Le guide d'onda in silicio forniscono l'elemento costitutivo principale della fotonica su chip, confinando la luce e indirizzandola a componenti ottici funzionali per l'elaborazione del segnale. Diverse forme di luce hanno bisogno di diverse guide d'onda, ma il ridimensionamento lineare per accogliere più guide d'onda supererebbe rapidamente lo spazio disponibile di un chip di silicio nel fattore di forma standard.

"È stato difficile combinare la trasmissione nel vicino infrarosso e nel medio infrarosso nello stesso dispositivo, " disse Mingze He, un dottorato di ricerca in ingegneria meccanica Vanderbilt. studente e primo autore del saggio.

Due innovazioni, un nuovo approccio e la geometria del dispositivo, hanno permesso di guidare frequenze di luce disparate all'interno della stessa struttura. Tale multiplexing di frequenza non è nuovo, ma lo è la capacità di espandere la larghezza di banda all'interno dello stesso spazio disponibile.

Sfruttando le proprietà a infrarossi del nitruro di boro esagonale, i ricercatori hanno ideato un ibrido, piattaforma di guida d'onda fotonica iperbolico-silicio. Nel medio infrarosso, la struttura del cristallo hBN può supportare un nuovo tipo di modalità ottica chiamata polaritone fononico iperbolico. Questi polaritoni iperbolici hanno dimostrato di guidare a lungo, lunghezze d'onda della luce nel medio infrarosso all'interno di lastre di spessore su scala nanometrica, con i modi ottici che seguono il percorso della guida d'onda di silicio sottostante.

L'approccio non richiede alcuna fabbricazione aggiuntiva dell'hBN e può supportare simultaneamente l'elaborazione del segnale e le modalità di rilevamento chimico, senza la necessità di espandere il fattore di forma del dispositivo.

"L'inclusione del mid-IR offre opportunità promettenti per combinare l'elaborazione del segnale con il rilevamento chimico, o schemi di modulazione non possibili con i soli segnali near-IR, " ha detto Caldwell.

Mid-IR è ampiamente utilizzato nelle industrie chimiche e agricole; le applicazioni del Near-IR includono le telecomunicazioni e la diagnostica medica.