Ein Forschungsteam der Stanford University gab bekannt, dass es erfolgreich einen effektiven passiven ultradünnen Laserisolator mit Silizium hergestellt hat.
Integrierte Schaltkreise auf Siliziumbasis folgen dem Mooreschen Gesetz und können den Fortschritt der Halbleitertechnologie vorantreiben. Mit dem Aufkommen photonischer integrierter Schaltkreise sind Forscher über die traditionelle Schaltkreisarchitektur hinausgegangen. Das Fehlen einer stabilen und zuverlässigen Siliziumchip-Laserquelle war jedoch schon immer ein großes Hindernis, das das Potenzial photonischer integrierter Siliziumschaltkreise einschränkte – jeder Laserstrahl benötigt einen Isolator, um ihn instabil zu machen und zu verhindern, dass Rückreflexion in den Laser eintritt.
Herkömmliche Glasfaser- und große optische Systeme verwenden zur Laserwartung häufig optische Isolatoren mit Faraday-Effekt. Obwohl diese Methode erneut auf dem Chip angewendet werden kann, ist ihre Skalierbarkeit immer noch schlecht, da sie nicht mit der CMOS-Technologie (Complementary Metal Oxide Semiconductor) kompatibel ist. Andererseits haben Wissenschaftler auch Fortschritte bei der Herstellung nichtmagnetischer Isolatoren (unabhängig vom Faraday-Effekt) gemacht, was jedoch zu einer höheren Komplexität und einem höheren Stromverbrauch des gesamten Systems führen wird.
In ihrem in Nature Photonics veröffentlichten Artikel schlugen Forscher der Stanford University vor, dass der ideale Isolator vollständig passiv und nicht magnetisch sein sollte, um die Skalierbarkeit und Kompatibilität reibungslos mit der CMOS-Technologie zu erreichen.
Sie entwickelten einen effektiven passiven Isolator auf Chipebene unter Verwendung von Siliziummaterial, das in eine Halbleitermaterialschicht eingelegt werden kann, die hunderte Male dünner ist als ein Stück Papier. Dieser integrierte Dauerstrichisolator besteht aus Siliziumnitrid (SiN), einem allgemeinen Halbleitermaterial, das leicht in Massenproduktion hergestellt werden kann, und verfügt über einen Kerr-Effekt.
Der Kerr-Effekt weist darauf hin, dass isotrope Materialien unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes doppelbrechend werden und das durch Licht verursachte elektrische Feld zu einer Änderung des Brechungsindex des Materials führt, der proportional zur Lichtbestrahlungsstärke ist. Letzterer Effekt wird bei einem Laserstrahl gleicher Intensität noch deutlicher.
Die Forschungsergebnisse des oben genannten Teams zeigen, dass der Kerr-Effekt im SiN-Ring die Entartung zwischen dem Rechts- und Gegenuhrzeigersinn unterbricht und eine asymmetrische Übertragung von Wellen ermöglicht. Der Hauptlaserstrahl durchdringt den SiN-Ring und bewirkt, dass Photonen im Uhrzeigersinn um den Ring rotieren. Gleichzeitig sorgt der reflektierte Strahl dafür, dass sich das Photon gegen den Uhrzeigersinn dreht. Die Zirkulation im Ring führt zur Ansammlung von Energie. Die erhöhte Leistung wirkt sich auf den schwächeren Strahl (in diesem Fall den reflektierten Strahl) aus, während der stärkere Strahl davon nicht betroffen ist.
Jelena Vukovovic, Professorin für Elektrotechnik an der Stanford University und leitende Forschungsautorin, und ihr Team hatten einen Prototyp als Proof of Concept erstellt und die Kopplung zweier Ringisolatoren in Kaskade demonstriert, um eine überlegene Leistung zu erzielen. Sie berichteten auch, dass sie die Isolation und den Verlust im Zusammenhang mit der Kopplung des Ringresonators durch eine Änderung der Kopplung ausgleichen könnten.
Als nächstes planen die Forscher, Isolatoren mit unterschiedlichen optischen Frequenzen weiter zu untersuchen und daran zu arbeiten, diese Komponenten zu reduzieren, um andere Anwendungen von Isolatoren auf Chipebene zu erkunden.
Quelle aus ofweek.com
