麻省理工学院工程师在硅中展示二阶非线性

麻省理工学院的新研究揭示了将二阶非线性引入硅光子的实用方法，表明硅可以再现由高端电信设备利用的物理现象。

半导体行业协会估计，在目前的增加率下，计算机的能源需求将超过2040年的世界总功率输出。

使用光而不是电动移动数据将大大降低计算机芯片的能耗，并且过去20年在硅光子的开发中看到了显着进展，或由硅制成的光学器件，因此它们可以轻松地与电子集成硅芯片。

但是现有的硅 - 光子器件依赖于不同的电信网络中的高端光电子组件的不同物理机制。电信设备利用所谓的二阶非线性，使光学信号处理更有效可靠。

在最新问题的自然光子学中，麻省理工学院研究人员提出了一种实用的方法，将二阶非线性引入硅光子。它们还报告了两种不同硅设备的原型，该原型利用这些非线性：将数据编码到光束上的调制器，以及频率倍增器，该分频器可以精确调谐到一系列不同频率的激光器的组件。

在光学中，线性系统是其中输出始终处于与其输入相同的频率的系统。因此，例如，频率倍增器是固有的非线性设备。

“我们现在有能力在硅中拥有二阶非线性，这是第一个真正的演示，”MIT和高级作者在新纸上的电气工程和计算机科学副教授Michael Watts说。

“现在，您可以构建一个相位调制器，不依赖于硅中的自由载波效果。存在硅中的自由载流子效应总是具有相位和幅度耦合。因此，无论何时更改载波浓度，您都会改变通过它的阶段和波浪的幅度。使用二阶非线性，您可以打破该耦合，因此您可以拥有纯相调制器。这对大量应用程序很重要。当然在通信领域很重要。“

新论文的第一个作者是Erman Timurdogan，他去年在麻省理工学院完成了博士，现在在硅 - 光子公司模拟光子学。他和瓦特加入Matthew Byrd，电气工程和计算机科学的麻省理工学院研究生，以及克里斯托弗·帕尔顿（Christopher Poulton），他在Watts集团中做了他的硕士学位，并且现在也在模拟光子学。

涂层解决方案

如果电磁波可以被认为是常规上下Quiggles的模式，数字调制器Perturbs以固定方式模式以表示零弦和那些的弦乐。在硅调制器中，光波所采取的路径由波导限定，该波导是沿着调制器顶部运行的轨道的波导。

现有的硅调制器是掺杂的，这意味着它们通过晶体管制造中使用的标准过程向它们添加了杂质。一些掺杂材料产生p型硅，其中“p”用于“阳性”和一些产量n型硅，其中“n”是“阴性”。在存在电场的存在下，无与特定​​硅原子无关的游离载体 - 电子倾向于浓缩在n型硅中并在p型硅中散发。

传统的硅调制器是半p型和半n型硅;甚至波导也会在中间拆分。在波导的两侧是电极，并且改变调制器两端的电压交替集中并散发波导中的游离载体，以调制通过通过的光学信号。

MIT研究人员的设备类似，除了调制器的中心 - 包括沿其顶部运行的波导 - 未被发现。当施加电压时，自由载波不会收集在设备的中心;相反，它们在n型硅和未掺杂的硅之间的边界处积聚。相应的正电荷在与p型硅的边界处构成，产生电场，这是调制光信号的电场。

因为传统硅调制器的中心的自由载流子可以吸收光颗粒 - 或光子 - 行进通过波导，它们会减小光学信号的强度;利用二阶非线性的调制器不会面临该问题。

拿起速度

原则上，它们还可以比现有的硅调制器更快地调制信号。这是因为它需要更多的时间来将免费载体移入波导，而不是将它们集中在与未掺杂的硅的边界处释放。目前的论文只是报道了非线性调制现象，但Timurdogan表示，该团队已经进行了测试

调制器的原型，其速度与电信网络中的非线性调制器的竞争竞争。

研究人员所证明的频率倍增器具有类似的设计，不同之处在于侧翼的p掺杂硅的中心区域的P和n掺杂硅的区域布置成垂直于波导的规则间隔的条带。条带之间的距离被校准为光的特定波长，并且当施加电压时，它们使通过波导的光信号的频率加倍，将光子对与单个光子相结合，具有两倍的能量。

频率倍增器可用于构建非常精确的片上的片上光学时钟，光放大器和太赫兹辐射的源，具有承诺的安全应用。

“硅在光学通信空间内具有巨大的文艺复兴，有关各种应用，”IBM托马斯J. Watson研究中心的物理科学部门的研究员Jason Orcutt说。“然而，仍然存在剩余的应用空间 - 从微波光子学到量子光学 - 其中硅中缺乏二阶非线性效应都阻止了进展。这是解决世界各地成熟硅 - 光子平台内更广泛应用的重要应用。“

“迄今为止，在硅中实现二阶非线性效应的努力集中在难以弥补的科学问题上，”orcutt增加了。“通过提醒物理界，[麻省理工学院]团队非常聪明，我们不应该忘记了。应用简单的电场创造了与其他研究人员努力创造的相同基本的基本偏振载体。“

出版物：E. Timurdogan等，“电场诱导的二阶非线性光学效应，”自然光子（2017）DOI：10.1038 / nphoton.2017.14