Решена давнишняя проблема в технологии фотонных чипов

Хотя магистральные каналы передачи данных, а порой и сети доступа, являются оптическими, компьютеры, которые их обрабатывают, все еще базируются на электронных чипах. Теперь исследователи из Калтеха прокладывают путь к технологии изготовления чипов следующего поколения – фотонных.

«Мы хотим все, что есть в электронных чипах, воспроизвести в фотонных», - сказал Лиан Фен (Liang Feng), постдокторант по электротехнике.

Группа предложила новую технологию изоляции светового луча в кремниевых чипах, решив тем самым давнишнюю проблему создания фотонных чипов.

Изолированный световой сигнал может распространяться только в одном направлении. Если свет не изолирован, сигналы, посылаемые и получаемые различными компонентами фотонных цепей, могут интерферировать друг с другом, вызывая нестабильность функционирования. В электрических цепях роль изоляторов сигналов исполняют диоды. Цель исследователей – создать фотонный аналог диода, устройства, называемого оптическим изолятором. Ученые бьются над этим уже 20 лет.

Обычно падающий и отраженный свет имеет одинаковые свойства. Для того чтобы изолировать свет, свойства отраженного луча необходимо как-то изменить. Оптический изолятор может блокировать такой измененный отраженный свет и обеспечить распространение сигнала только в одном направлении.

Чтобы изолировать свет, Фен и его коллеги разработали новый тип оптического волновода – кремниевое устройство шириной 0,8 мкм, которое канализирует свет. Волновод пропускает свет в одном направлении, но изменяет моду отраженного сигнала.

Модой световой волны принято называть распределение напряженности электрического поля и интенсивности в поперечном сечении луча. В новом волноводе свет передается в симметричной моде в одном направлении, но изменяется на асимметричную моду в обратном и рассеивается. Поскольку лучи с разными модами не интерферируют, то основной сигнал не искажается.

Ранее имелись два основных метода достичь оптической изоляции света. Первый, разработанный почти 100 лет назад, заключается в использовании магнитного поля, с помощью которого можно было бы изменить поляризацию отраженного луча. Однако сильные магнитные поля вряд ли уместны в компьютере. Второй метод требовал нелинейных оптических материалов, которые изменяют частоту света. Эта техника разработана около 50 лет назад, но проблема в том, что кремний, из которого изготавливаются микросхемы, является оптически линейным.

Таким образом новый кремний-металлический волновод стал первым изолятором света в линейной среде. Хотя опубликованная работа является лишь демонстрацией принципа, исследователи уже строят оптический изолятор, который может быть встроен в чип.