新型纳米光学开关可使光子自由转向,速度可达20亿分之一秒

新材料
新型纳米光学开关可使光子自由转向,速度可达20亿分之一秒
麻省理工科技评论 2019-11-20

2019-11-20

一种新的紧凑型光学开关可以在极低的信号损失下,用很低的耗能重定向光信号,实现光在20亿分之一秒内在芯片间通行。
通信 技术
一种新的紧凑型光学开关可以在极低的信号损失下,用很低的耗能重定向光信号,实现光在20亿分之一秒内在芯片间通行。

光电子技术是由光子技术和电子技术相结合而形成的一门新技术,电子处理和光通信的协同作用推动了信息技术数十年的蓬勃发展,并成为信息和通信产业的核心技术,被广泛应用于光通信、光电显示、半导体照明、光存储、激光器等多个应用领域。

在高性能的光纤系统中,集成光子学变得越来越重要,但也面临着一些瓶颈。

例如,远程通信系统以电子方式处理信号,并将信号转换为光进行传输,光子以光速传播的性质非常适合通信,但是在信号格式之间进行转换对于本地传输是很麻烦的。另外,由于光子比电子大得多,而且相互作用弱,必须要用高压进行重定向。所以光学开关体积大,需要很高的功率才能将其融入集成光子学中。

最近发表在 Science 杂志上的一项研究提出了新的光学开关的思路,美国国家标准与技术研究院 (NIST) 研究员 Christian Haffner 领导了这项研究。研究人员开发出一种混合纳米电光开关,仅有 10 平方微米大小,1 伏电压就可使其运行。它能在集成光电子中实现与 CMOS(互补金属氧化物半导体)硅电子相兼容,光能在 20 亿分之一秒内在芯片间通行。

研究人员称,这是目前为止光子能在芯片中移动的最快速度。这为激光雷达波束控制和可重构光子网络开辟了道路。

Haffner 指出,一些研究人员此前认为光—电—力学开关不切实际,因为它们“块头”大,操作速度慢且电压要求过高,计算机芯片的组件无法承受,但最新研制出的这款开关解决了上述问题。该设备的紧凑型设计,确保光信号损失仅为 2.5%,而之前的开关为 60%。

该开关是一个小型的多层磁盘,位于两个光波导的 T 形连接处。该光波导是直角相交的两个透明的导光二氧化硅条。磁盘上层是一个厚 40 纳米的金膜组成的 4 微米的圆盘,在一小块氧化铝上,氧化铝下方是沉积的二氧化硅。这种结构充当与输入和输出波导谐振的弯曲波导,它可以在两者之间传递谐振光。

新型纳米光学开关可使光子自由转向,速度可达20亿分之一秒

图 | 磁盘上层是一个厚 40 纳米的金膜组成的 4 微米的圆盘,贴在一小块氧化铝上,氧化铝下方是沉积的二氧化硅。这种结构充当与输入和输出波导谐振的弯曲波导,它可以在两者之间传递谐振光(来源:YouTube 截图)

硅波导内的光仍然是光子,但在开关内,光激发金表面电子振荡,产生了电浆子,电浆子以光波的频率振动,但比光波长小得多。将光的电浆子部分限制在可变高度的气隙中,可以产生很强的光电效应,这种效应集中在小体积的开关中,而将其余的光子限制在一起可以使光损耗最小化。

在不给开关施加电压的情况下,电浆子波导和二氧化硅波导保持谐振,因此它可以以最小的损耗将光从输入波导耦合到输出波导。

向开关施加一个电压会产生静电,该电荷会把金膜拉向硅层,从而改变交换机中波导的形状,使光的相位偏移 180 度。这会在交换机中造成相消干扰,破坏共振,并使光耦合到侧波导中,因此,光会继续通过输入波导到达另一个开关。

在很短的距离内应用与 CMOS 电子器件兼容的一伏偏置可以产生非常强的力。这使得开关可以实现更低损耗、更低功耗,打破了传统电光开关的局限。它可以与 CMOS 直接集成,200 个交换机和电子驱动器可以集成在一个小到一根头发横截面大小的区域。

这种开关每秒可以重定向信号数百万次,强大的 OEM 交互作用和低损耗可以使非谐振功能单元用于光检测和测距应用,所以它的第一个应用可能是激光雷达,尤其是在自动驾驶汽车上,原来笨重的 LIDAR 系统可以被小小的、低功耗的光学雷达所替代。

用光子传输数据还意味着计算机不会因为电而发热,同时还会减少系统能耗,所以另一个潜在应用是集成光子芯片,用来构建用于深度学习的光学神经网络。另外,它也可能是量子计算机不可或缺的一部分。这些开关可以构成光场可编程门阵列的基本组件,并引发一场技术革命,就像过去几十年里由电场可编辑门阵列实现的技术革命一样。

需要注意的是,金膜的质量还比较低,开关每秒可以工作几百万次,对于大多数交换来说是足够的。但也会有所局限,开关的机械部分不能达到光发射机中调节光所需的皮秒速度。不过,Haffner 认为,“生产高产量的(交换机)没有任何问题。”目前该团队正在试图进一步缩小硅片与金膜之间的距离,从而进一步减少信号损失。

麻省理工科技评论

From Tech to Deeptech