В отличие от огромного успеха электронной интеграции, фотонная интеграция все еще находится в зачаточном состоянии. Одним из наиболее серьезных препятствий, с которыми он сталкивается, является необходимость использования различных материалов для достижения различных функций, в отличие от электронной интеграции. Еще больше усложняет ситуацию то, что многие материалы, необходимые для фотонной интеграции, несовместимы с технологией кремниевой интеграции.
Попытки поместить различные функциональные нанопроволоки в фотонные схемы для достижения желаемых функциональных возможностей показали, что, хотя нанопроволоки вполне возможны, они имеют тенденцию быть слишком маленькими, чтобы эффективно ограничивать свет. В то время как нанопровода большего размера могут улучшить удержание света и производительность, они увеличивают как энергопотребление, так и занимаемую площадь устройства - и то, и другое считается «фатальным», когда дело доходит до интеграции.
Решая эту проблему, группа исследователей NTT Corp. в Японии предложила подход, который включает объединение субволновой нанопроволоки с платформой фотонного кристалла, о чем они сообщают на этой неделе в журнале APL Photonics от AIP. Публикация.
Фотонные кристаллы - искусственные структуры, показатель преломления которых периодически модулируется - лежат в основе их работы.
«Небольшая локальная модуляция показателя преломления фотонного кристалла обеспечивает сильное удержание света, что приводит к сверхвысококачественным оптическим нанорезонаторам», - сказал Масая Нотоми, старший выдающийся научный сотрудник Лаборатории фундаментальных исследований NTT. «Мы в полной мере используем эту особенность в нашей работе».
Еще в 2014 году эта же группа продемонстрировала, что можно сильно ограничить свет в субволновой нанопроволоке диаметром 100 нанометров, поместив ее на кремниевый фотонный кристалл. В то время «это была предварительная демонстрация механизма удержания, но в нашей нынешней работе мы успешно продемонстрировали работу устройства с субволновой нанопроволокой на кремниевой платформе с использованием этого метода», - сказал Нотоми..
Другими словами: в то время как субволновая нанопроволока сама по себе не может стать резонатором с сильным удержанием света, при размещении на фотонном кристалле она вызывает модуляцию показателя преломления, необходимую для создания удержания света.
"Для нашей работы мы тщательно подготовили полупроводниковый нанопровод III-V с достаточно большим оптическим усилением и поместили его в прорезь кремниевого фотонного кристалла, используя "метод манипулирования нанозондом", в результате чего получился оптический нанорезонатор. ", - сказал Масато Такигучи, ведущий автор статьи и исследователь, работающий в группе Нотоми в лабораториях фундаментальных исследований NTT. «С помощью серии тщательных характеристик мы продемонстрировали, что этот субволновой нанопровод может демонстрировать непрерывную генерацию генерации и высокоскоростную модуляцию сигнала на скорости 10 Гбит/с."
Чтобы использовать нанопроводные лазеры для фотонной интеграции, необходимо выполнить три основных требования. «Во-первых, нанопроволока должна быть как можно меньше для достаточно сильного удержания света, что обеспечивает сверхмалую площадь основания и энергопотребление», - сказал Такигучи. «Во-вторых, лазер на нанопроволоках должен быть способен генерировать высокоскоростные сигналы. В-третьих, длина волны генерации должна быть больше 1,2 мкм, чтобы избежать поглощения в кремнии, поэтому важно создавать субволновые лазеры на нанопроволоках на длинах волн оптической связи - от 1,3 до 1,55 микрона - возможность высокоскоростной модуляции сигнала."
На самом деле, предыдущие демонстрации лазеров на основе нанопроволок «все были на длинах волн короче 0,9 микрон, что не может быть использовано для кремниевых фотонных интегральных схем - за исключением демонстрации импульсной генерации лазеров с относительно толстыми микронными проволоками. на 1,55 мкм», - сказал Нотоми. Предположительно, это связано с тем, что усиление материала меньше на более длинных волнах, что затрудняет генерацию тонких нанопроволок.
Помимо этого, «ноль демонстраций высокоскоростной модуляции любыми типами нанопроводов материализовался», отметил он. Это также связано с небольшой громкостью усиления.
«В нашей нынешней работе мы решили эти проблемы, объединив нанопроволоку и кремниевый фотонный кристалл», - сказал Нотоми. «Наш результат - первая демонстрация генерации непрерывного излучения субволновой нанопроволокой, а также первая демонстрация высокоскоростной модуляции сигнала с помощью нанопроволоки».
Группе удалось достичь модуляции 10 Гбит/с, что сравнимо с обычными высокоскоростными лазерами с прямой модуляцией, используемыми для оптической связи.
«Это доказывает, что лазеры на нанопроводах перспективны для обработки информации, особенно фотонных интегральных схем», - сказал Нотоми.
Наиболее перспективным приложением для настоящей работы группы являются фотонные интегральные схемы на основе нанопроволоки, для которых они будут использовать различные нанопроволоки для достижения различных функций, таких как лазеры, фотодетекторы и переключатели в кремниевых фотонных интегральных схемах.
«Ожидается, что в ближайшие 15 лет потребуются процессоры, оснащенные встроенной фотонной сетью, и фотонная интеграция на основе нанопроводов станет одним из возможных решений», - сказал Нотоми.
С точки зрения лазеров, следующая цель группы - интегрировать лазеры на основе нанопроводов с входными/выходными волноводами.
«Хотя этот тип интеграции был сложной задачей для устройств на основе нанопроводов, мы ожидаем, что это будет намного проще на нашей платформе, потому что платформа фотонных кристаллов по своей сути превосходит волноводное соединение», - сказал Такигути.. «Мы также будем стремиться к созданию лазера, управляемого током, при комнатной температуре».
Группа также планирует использовать ту же технику для создания «фотонных устройств, отличных от лазеров, путем выбора различных нанопроводов», - сказал Такигучи. «Мы хотим продемонстрировать, что можем интегрировать несколько фотонных устройств, имея разные функции на одном чипе."