硅光子学重要进步单芯片传输两种光信号

　　编译：大路
　　由美国范德堡大学工程师领导的团队已经实现了在「单个硅芯片上同时传输两种不同类型的光信号」的能力。
　　这预示着一个硅芯片在任何时间段内可以传输的数据量会大幅增加。通过这个项目，该研究团队突破了以往的理论模型，展示了双波段光学处理，这一突破极大地扩展了硅作为「光电子平台」（photonics platform）的功能。
　　机械工程副教授约书亚 - 考德威尔（Joshua Caldwell）和电子工程教授莎伦 - 韦斯（Sharon Weiss）领导了这个团队，该团队成员还包括来自哥伦比亚大学、爱荷华大学和堪萨斯州立大学的研究人员。
　　他们的研究「Guided Mid-IR and Near-IR Light within a Hybrid Hyperbolic-Material/Silicon Waveguide Heterostructure」于 2 月 1 日发表在 Advanced Materials 上。该杂志在 3 月 16 日印刷版的封面内页也将对其进行专题报道。
　　这项工作是硅光子学的重要进展，不同于普通硅芯片，光子芯片使用光而不是电信号来传输数据。当前，对更快和扩展处理的需求已经完全超出了物理限制——在越来越小的芯片上不可能添加更多的电线。此外，电信号还需要大量的电力，产生大量的热量，并有丢失数据的风险。而使用图案化的硅来传输光信号，则使用了较少的能量，芯片的发热问题也得到相当的改良。
　　硅波导示意图
　　不过，用同样的芯片，却做更多的事情还是很有挑战性的。硅波导（Silicon waveguides）提供了光子芯片的「主要构件」，它可以将光限制住，并将其「路由」（route）到功能光学元件进行信号处理。不同形式的光需要不同的波导，而为了容纳更多的波导去进行线性缩放，则会占据标准尺寸硅芯片的可用空间。
　　「一直以来，在同一个器件中结合近红外和中红外传输是很困难的，」范德堡大学机械工程博士生、论文第一作者 Mingze He 说。
　　而该论文提出的两项创新（一种新的方法和设备几何学）实现了在同一结构中引导不同频率的光。频率复用其实并不新鲜，但这种在相同的可用空间内扩大带宽的能力确实是个极大的进步。
　　混合型双曲硅光子波导平台，可在同一芯片上同时传输中红外和近红外光
　　利用六方氮化硼的红外特性，研究人员设计了一种混合型双曲 - 硅光子波导平台。在中红外，hBN 晶体的结构可以支持一种新型的光模式，即双曲声子偏振子（hyperbolic phonon polariton）。这些双曲偏振子被证明可以在纳米级厚度的板块内引导长的、中红外波长的光，而光模式遵循底层硅波导的路径。
　　这种方法不需要额外制造 hBN，在不扩大器件尺寸的情况下，可以同时支持信号处理和化学传感方式。
　　「中红外的加入为信号处理与化学传感的结合，或单独使用近红外信号无法实现的调制方案提供了新的机会，」考德威尔教授评价道。
　　原文链接：https://phys.org/news/2021-03-photonics-discovery-portends-efficiencies-silicon.html