美研制出能隔离光信号的硅波导

2011-8-09 09:34 来源: 中国科学院
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  美国科学家在8月5日出版的《科学》杂志上撰文指出,他们研制出了一块新的硅基光学波导,能将硅芯片上的光信号隔离开,解决了建造光子芯片长期存在的问题,为下一代光子芯片的研制铺平了道路。

  与电子芯片相比,光子芯片拥有超高速的运算速度、超大规模的信息存储容量、能量消耗小、散发热量低等优点,因此,用光子代替电子实现数据连接是不可阻挡的历史潮流,不过,现在的计算机技术主要还是依靠电子芯片。该研究的主要作者、加州理工学院电子工程系的博士后冯亮(音译)表示:“我们希望电子芯片能完成的任务,光子芯片也能完成。”

  如果不将光隔离,光子电路上不同元件发送和接收的信号就能相互作用,使光子芯片变得不稳定。而电子电路中的二极管能通过限制电流朝一个方向行进从而将电信号隔离开。因此,研制光子芯片的主要“拦路虎”是制造出“光子二极管”——光隔离器。科学家一直在为此目标而努力。

  以前,有两种方法来制造光隔离器。第一种方法出现在100多年前,主要使用磁场。当光在相反方向行进时,磁场会改变光的偏振,因此,在一个方向行进的光无法同在另一个方向行进的光相互作用。冯亮说:“可是,我们不能在计算机周围放置大磁场,这有损健康。”

  第二种方法出现在50多年前,主要使用能改变光的频率而不是光的偏振的非线性光子材料。但这种方法也有问题,因为集成电路的基本组成材料硅是一种线性材料,如果计算机打算使用由非线性材料制成的光隔离器,硅就可能会“下岗”,那么,所有计算机技术可能都需要修改。

  冯亮团队设计出一种新的光学波导——一个0.8微米宽、能输送光的硅设备,其使光能在一个方向采用对称模式行进,而在另一个方向上采用非对称模式行进,因为不同模式的光无法相互作用,因此,这两束光就被隔离开,能穿过彼此。

  在最新研究中,科学家们首次用新的硅波导这种线性材料将光隔离出来。尽管该研究还只是一个概念验证实验,但科学家们建造出了一个能被集成到一块硅芯片上的光隔离器,光隔离器对建造出纳米大小的光子设备至关重要。

  现在,最先进的光子芯片的数据传输率为10Gb/秒,是个人电脑的几千倍,下一代光子芯片有望达到40Gb/秒。但因为这些光子芯片没有内置光隔离器,其比电子芯片更简单,而且也无法投入实际应用,因此,基于最新研究的光隔离器有望加速光子芯片的商业化进程。