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悉尼大学和新加坡科技大学首次在硅基芯片上实现操控光波和光子信息

Source:Author: Addtime:2019-09-06 15:17:14

近日,据外媒报道,科学家首次在硅基芯片上实现操控光波和光子信息,并维持了它们的整体波形。目前因为大多数通信基础设施仍依赖于基于硅的设备来传播和接收信息,这标志着通信基础设施将大幅提升传输速度。在现代通信技术中,保持洲际光纤中的信息完整性是至关重要的。从理论上说,这需要在光纤的收发端对硅基芯片中的光进行操作,以此确保那些“光子信息包”的波形在传送中不会被破坏。多年以来,科学家们一直在为这个目标努力,现在终于有了新的成果。


悉尼大学和新加坡科技大学首次在硅基芯片上实现操控光波和光子信息


悉尼大学纳米研究所和新加坡科技大学设计学院合作,首次通过操控一块硅基芯片上的光波成功地维持了它们的整体波形。这类特殊的波名为“孤子”,它不仅出现硅片上,也可能表现为海啸那样的规模。不论规模如何,“孤子”的特征是一致的,不妨用海啸来说明:海啸能保持着它的波形在海洋中传播数千公里,因此,即使波浪传递到远离源头的地方,仍会保留着它初始的能量和“信息”。由此可见,孤子是一种特殊的脉冲,它可以在不改变形态的情况下传播很远,并且能够在碰撞和相互作用中保存下来。


悉尼大学和新加坡科技大学首次在硅基芯片上实现操控光波和光子信息


现在,研究小组在新加坡建造了一种基于超富硅氮化物(USRN)的装置,并为它配置了悉尼纳米公司(Sydney Nano)最先进的光学工具,最终,这台装置成功证明了硅基芯片上的布拉格孤子的形成和裂变过程。研究人员将这一发现归功于联合使用了USRN和布拉格光栅器件。后者是一种经过轻微修改的硅材料,能产生所谓的“布拉格光栅”,它加工起来十分方便。


同时布拉格光栅器件的硅基特性也确保了与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺的兼容性。可靠地启动孤子压缩和裂变的能力,并允许用比以前所要求的更长的脉冲产生超快现象。而且芯片规模的小型化也提高了光信号处理的速度。


悉尼大学和新加坡科技大学首次在硅基芯片上实现操控光波和光子信息


自20世纪80年代以来,光孤子波在光纤领域被广泛研究,因为孤子的特性能使数据在不失真的情况下被传送得很远。有一种特殊的“布拉格孤子”,可用于在芯片上进行高级信号处理。大约在20年前,科学家们使用80ps脉冲,在7.5cm光纤光栅中首次发现了它,但还从未在芯片上发现过,因为硅基芯片限制了其传播。但是当时并没有在硅基材料上进行试验,因为当时的硅基材料并不具备传播“孤子”的条件。


现在,研究小组在新加坡建造了一种基于超富硅氮化物(USRN)的装置,并为它配置了悉尼纳米公司(Sydney Nano)最先进的光学工具,最终,这台装置成功证明了硅基芯片上的布拉格孤子的形成和裂变过程。研究者唐恩·谭教授将这一发现归功于联合使用了USRN和布拉格光栅器件。后者是一种经过轻微修改的硅材料,能产生所谓“布拉格光栅”,它加工起来十分方便。顺便说一下,“布拉格”这个名字其实是源于一对获得诺贝尔物理学奖的父子。


悉尼大学和新加坡科技大学首次在硅基芯片上实现操控光波和光子信息


目前,这项研究成果已发表在《激光与光子学评论》上,它非常重要,因为目前大多数通信基础设施仍然依赖于硅基设备来传送信息。通过控制芯片上的孤子,将会加快光子通信设备和基础设施的速度。研究人员对此成果的评价也是很高的:“复杂孤子动力学的观察为芯片内光学信号处理的广泛应用铺平了道路,超越了脉冲压缩”、“这是一个孤子物理领域的重大突破。”