光電子技術是由光子技術和電子技術相結合而形成的一門新技術,電子處理和光通信的協同作用推動了信息技術數十年的蓬勃發展,並成為信息和通信產業的核心技術,被廣泛應用於光通信、光電顯示、半導體照明、光存儲、雷射器等多個應用領域。
在高性能的光纖系統中,集成光子學變得越來越重要,但也面臨著一些瓶頸。
例如,遠程通信系統以電子方式處理信號,並將信號轉換為光進行傳輸,光子以光速傳播的性質非常適合通信,但是在信號格式之間進行轉換對於本地傳輸是很麻煩的。另外,由於光子比電子大得多,而且相互作用弱,必須要用高壓進行重定向。所以光學開關體積大,需要很高的功率才能將其融入集成光子學中。
視頻 | 納米級別裡重定向光(來源:YouTube)
最近發表在 Science 雜誌上的一項研究提出了新的光學開關的思路,美國國家標準與技術研究院 (NIST) 研究員 Christian Haffner 領導了這項研究。研究人員開發出一種混合納米電光開關,僅有 10 平方微米大小,1 伏電壓就可使其運行。它能在集成光電子中實現與 CMOS(互補金屬氧化物半導體)矽電子相兼容,光能在 20 億分之一秒內在晶片間通行。
研究人員稱,這是目前為止光子能在晶片中移動的最快速度。這為雷射雷達波束控制和可重構光子網絡開闢了道路。
Haffner 指出,一些研究人員此前認為光—電—力學開關不切實際,因為它們「塊頭」大,操作速度慢且電壓要求過高,計算機晶片的組件無法承受,但最新研製出的這款開關解決了上述問題。該設備的緊湊型設計,確保光信號損失僅為 2.5%,而之前的開關為 60%。
該開關是一個小型的多層磁碟,位於兩個光波導的 T 形連接處。該光波導是直角相交的兩個透明的導光二氧化矽條。磁碟上層是一個厚 40 納米的金膜組成的 4 微米的圓盤,在一小塊氧化鋁上,氧化鋁下方是沉積的二氧化矽。這種結構充當與輸入和輸出波導諧振的彎曲波導,它可以在兩者之間傳遞諧振光。
圖 | 磁碟上層是一個厚 40 納米的金膜組成的 4 微米的圓盤,貼在一小塊氧化鋁上,氧化鋁下方是沉積的二氧化矽。這種結構充當與輸入和輸出波導諧振的彎曲波導,它可以在兩者之間傳遞諧振光(來源:YouTube 截圖)
矽波導內的光仍然是光子,但在開關內,光激發金表面電子振蕩,產生了電漿子,電漿子以光波的頻率振動,但比光波長小得多。將光的電漿子部分限制在可變高度的氣隙中,可以產生很強的光電效應,這種效應集中在小體積的開關中,而將其餘的光子限制在一起可以使光損耗最小化。
在不給開關施加電壓的情況下,電漿子波導和二氧化矽波導保持諧振,因此它可以以最小的損耗將光從輸入波導耦合到輸出波導。
向開關施加一個電壓會產生靜電,該電荷會把金膜拉向矽層,從而改變交換機中波導的形狀,使光的相位偏移 180 度。這會在交換機中造成相消幹擾,破壞共振,並使光耦合到側波導中,因此,光會繼續通過輸入波導到達另一個開關。
在很短的距離內應用與 CMOS 電子器件兼容的一伏偏置可以產生非常強的力。這使得開關可以實現更低損耗、更低功耗,打破了傳統電光開關的局限。它可以與 CMOS 直接集成,200 個交換機和電子驅動器可以集成在一個小到一根頭髮橫截面大小的區域。
這種開關每秒可以重定向信號數百萬次,強大的 OEM 交互作用和低損耗可以使非諧振功能單元用於光檢測和測距應用,所以它的第一個應用可能是雷射雷達,尤其是在自動駕駛汽車上,原來笨重的 LIDAR 系統可以被小小的、低功耗的光學雷達所替代。
用光子傳輸數據還意味著計算機不會因為電而發熱,同時還會減少系統能耗,所以另一個潛在應用是集成光子晶片,用來構建用於深度學習的光學神經網絡。另外,它也可能是量子計算機不可或缺的一部分。這些開關可以構成光場可編程門陣列的基本組件,並引發一場技術革命,就像過去幾十年裡由電場可編輯門陣列實現的技術革命一樣。
需要注意的是,金膜的質量還比較低,開關每秒可以工作幾百萬次,對於大多數交換來說是足夠的。但也會有所局限,開關的機械部分不能達到光發射機中調節光所需的皮秒速度。不過,Haffner 認為,「生產高產量的(交換機)沒有任何問題。」目前該團隊正在試圖進一步縮小矽片與金膜之間的距離,從而進一步減少信號損失。