在硅芯片上能否實現(xiàn)操控光波和光子信息？

2019-08-16 09:40 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

海嘯在海洋的很長一段距離內(nèi)都保持著波形，在遠離源頭的地方保留著它的能量和“信息”。在通信科學中，將信息保存在跨越大陸的光纖中至關重要。理想情況下，這需要在不改變光子信息包波形的前提下，在光纖的源和接收端對硅芯片中的光進行操作。

迄今為止，科學家們一直未能做到這一點。悉尼大學和新加坡科技大學合作，首次在一個保持整體“形狀”的硅芯片上操控光波和光子信息。

這種波（無論是海嘯還是光子信息包）被稱為“孤子”。悉尼-新加坡研究小組首次在新加坡制造的一種超富硅氮化物(USRN)裝置上觀測到“孤子”動力學，該裝置使用了悉尼納米公司(Sydney Nano)最先進的光學表征工具。這項基礎研究成果發(fā)表在《激光與光子學評論》上，數(shù)通信基礎設施依賴于硅基設備。通過控制芯片上的孤子，有可能加快光子通信設備和基礎設施的速度。

SUTD的博士生Ezgi Sahin和悉尼大學的Andrea Blanco Redondo博士一起進行了這項實驗。復雜孤子動力學的觀察為芯片內(nèi)光學信號處理的廣泛應用鋪平了道路，超越了脈沖壓縮，研究人員很高興成為這兩個機構之間偉大合作關系的一部分，在理論、設備制造和測量領域進行深入合作。該研究的合著者、悉尼納米大學的主任本·埃格爾頓教授說：這是孤子物理領域的一個重大突破，具有重要的基礎技術意義。這種性質的孤子，即所謂的布拉格孤子，大約20年前在光纖中首次被觀測到。

但還沒有在芯片上被報道過，因為芯片所基于的標準硅材料限制了其傳播。這一演示基于一種經(jīng)過輕微修改的硅材料，它避免了這些限制，為操縱芯片上的光開辟了一個全新范例。該研究論文的作者之一，唐恩·譚教授說：我們能夠令人信服地證明布拉格孤子的形成和裂變，是因為獨特的布拉格光柵設計和我們使用的超富硅氮化物材料平臺(USRN)。這個平臺防止了信息的丟失，而這些信息損害了之前的演示。

孤子是一種不改變形狀的脈沖，可以在碰撞和相互作用中存活下來。150年前，人們首次在蘇格蘭的一條運河中發(fā)現(xiàn)了它們，在海嘯波的背景下也很熟悉它們，海嘯波會傳播數(shù)千公里，但不會改變形狀。自20世紀80年代以來，光孤子波在光纖領域得到了廣泛的研究，并為光通信系統(tǒng)提供了廣闊的前景，因為它們允許數(shù)據(jù)在不失真的情況下長距離傳輸。布拉格孤子的性質來自于布拉格光柵(蝕刻在硅襯底上的周期性結構)，可以在芯片技術的規(guī)模上進行研究，利用它們進行高級信號處理。

被稱為布拉格孤子，以澳大利亞出生的勞倫斯·布拉格和父親威廉·亨利·布拉格命名。威廉·亨利·布拉格于1913年首次討論了布拉格反射的概念，后來獲得了諾貝爾物理學獎，他們是唯一一對獲得諾貝爾獎的父子。1996年在光纖布拉格光柵中首次發(fā)現(xiàn)了布拉格孤子，埃格頓教授在貝爾實驗室攻讀博士學位時就證明了這一點。芯片規(guī)模的小型化也提高了光學信號處理的速度。