Uma equipe liderada por engenheiros da Vanderbilt alcançou a capacidade de transmitir dois tipos diferentes de sinais ópticos em um único chip ao mesmo tempo.

A descoberta anuncia um aumento potencialmente dramático no volume de dados que um chip de silício pode transmitir em qualquer período de tempo. Com este projeto, a equipe de pesquisa foi além dos modelos teóricos e demonstrou o processamento óptico de banda dupla, expandindo significativamente a funcionalidade do silício como uma plataforma fotônica.

Joshua Caldwell, professor associado de engenharia mecânica, e Cornelius Vanderbilt Professor Sharon Weiss, professor de engenharia elétrica, liderou a equipe, que também incluiu membros do corpo docente da Universidade de Columbia, a Universidade de Iowa, e a Kansas State University.

Sua pesquisa, "Luz de infravermelho médio guiada e infravermelho próximo em uma heteroestrutura de guia de onda de silício / material hiperbólico híbrido, "foi publicado online em Materiais avançados em 1º de fevereiro. É destaque na contracapa da edição impressa de 16 de março da revista.

O trabalho é um importante avanço na fotônica de silício, que usa luz em vez de sinais elétricos para transmitir dados. A necessidade de um processamento mais rápido e expandido quase ultrapassou os limites de adicionar mais fios a chips cada vez menores, que requer mais poder, cria mais calor, e arrisca a integridade dos dados. Usar silício padronizado para transmitir sinais ópticos consome menos energia sem aquecer ou degradar o sinal.

Ainda, fazer mais com o mesmo chip tem sido um desafio. Os guias de onda de silício fornecem o principal bloco de construção da fotônica on-chip, confinar a luz e encaminhá-la para componentes ópticos funcionais para processamento de sinal. Diferentes formas de luz precisam de guias de ondas diferentes, mas a escala linear para acomodar mais guias de onda ultrapassaria rapidamente o espaço disponível de um chip de silício no formato padrão.

"Tem sido difícil combinar a transmissão de infravermelho próximo e infravermelho médio no mesmo dispositivo, "disse Mingze He, um Ph.D. em engenharia mecânica da Vanderbilt. aluno e primeiro autor do artigo.

Duas inovações - uma nova abordagem e geometria do dispositivo - permitiram que frequências díspares de luz fossem guiadas dentro da mesma estrutura. Essa multiplexação de frequência não é nova, mas a capacidade de expandir a largura de banda dentro do mesmo espaço disponível é.

Aproveitando as propriedades infravermelhas do nitreto de boro hexagonal, pesquisadores desenvolveram um híbrido, plataforma de guia de onda fotônica hiperbólica de silício. No infravermelho médio, a estrutura do cristal de hBN pode suportar um novo tipo de modo óptico denominado polariton de fônon hiperbólico. Demonstrou-se que esses polaritons hiperbólicos guiam por muito tempo, comprimentos de onda de infravermelho médio de luz dentro de placas de espessura em nanoescala, com os modos ópticos seguindo o caminho do guia de onda de silício subjacente.

A abordagem não requer qualquer fabricação adicional de hBN e pode suportar processamento de sinal e modalidades de detecção química simultaneamente, sem a necessidade de expandir o fator de forma do dispositivo.

"A inclusão do mid-IR oferece oportunidades promissoras para combinar processamento de sinal com detecção química, ou esquemas de modulação não são possíveis com sinais quase infravermelhos sozinhos, "Caldwell disse.

Mid-IR é amplamente utilizado nas indústrias química e agrícola; as aplicações do infravermelho próximo incluem telecomunicações e diagnósticos médicos.