Semiconductor Industry Association har uppskattat att med nuvarande ökningstakt, dators energibehov kommer att överstiga världens totala effekt år 2040.

Att använda ljus istället för elektricitet för att flytta data skulle dramatiskt minska datorchips energiförbrukning, och de senaste 20 åren har märkbara framsteg gjorts i utvecklingen av kiselfotonik, eller optiska enheter som är tillverkade av kisel så att de enkelt kan integreras med elektronik på kiselchips.

Men befintliga kiselfotoniska enheter är beroende av andra fysiska mekanismer än de avancerade optoelektroniska komponenterna i telekommunikationsnätverk. Telekomapparaterna utnyttjar så kallade andra ordningens olineariteter, som gör optisk signalbehandling mer effektiv och pålitlig.

I det senaste numret av Nature Photonics , MIT-forskare presenterar ett praktiskt sätt att införa andra ordningens olineariteter i kiselfotonik. De rapporterar också prototyper av två olika kiselanordningar som utnyttjar dessa olineariteter:en modulator, som kodar data till en optisk stråle, och en frekvensdubblare, en komponent som är avgörande för utvecklingen av lasrar som kan ställas in exakt på en rad olika frekvenser.

Inom optik, ett linjärt system är ett vars utgångar alltid har samma frekvenser som dess ingångar. Så en frekvensdubblare, till exempel, är en i sig olinjär enhet.

"Vi har nu förmågan att ha en andra ordningens olinearitet i kisel, och detta är den första riktiga demonstrationen av det, " säger Michael Watts, docent i elektroteknik och datavetenskap vid MIT och seniorförfattare på det nya papperet.

"Nu kan du bygga en fasmodulator som inte är beroende av fri-bärareffekten i kisel. Fördelen med den är att fri-bärar-effekten i kisel alltid har en fas- och amplitudkoppling. Så när du ändrar bärarkoncentrationen, du ändrar både fasen och amplituden för vågen som passerar genom den. Med andra ordningens olinearitet, du bryter den kopplingen, så du kan ha en ren fasmodulator. Det är viktigt för många applikationer. Visst inom kommunikationsområdet är det viktigt."

Den första författaren på den nya tidningen är Erman Timurdogan, som avslutade sin doktorsexamen vid MIT förra året och nu är på kisel-fotonikföretaget Analog Photonics. Han och Watts får sällskap av Matthew Byrd, en MIT -doktorand i elektroteknik och datavetenskap, och Christopher Poulton, som gjorde sin master i Watts grupp och nu också är på Analog Photonics.

Skumma lösningar

Om en elektromagnetisk våg kan ses som ett mönster av vanliga upp-och-ner-snurrar, en digital modulator stör det mönstret på fasta sätt för att representera strängar av nollor och enor. I en kiselmodulator, vägen som ljusvågen tar definieras av en vågledare, som är ganska som en skena som löper längs toppen av modulatorn.

Befintliga kiselmodulatorer är dopade, vilket betyder att de har tillsatts föroreningar genom en standardprocess som används vid transistortillverkning. Vissa dopningsmaterial ger kisel av p-typ, där "p" är för "positivt, "och vissa ger n-typ kisel, där "n" är för "negativt". I närvaro av ett elektriskt fält, fria bärare-elektroner som inte är associerade med särskilda kiselatomer-tenderar att koncentrera sig i kisel av n-typ och att försvinna i kisel av p-typ.

En konventionell kiselmodulator är halv p-typ och halv n-typ kisel; även vågledaren är delad i mitten. På vardera sidan av vågledaren finns elektroder, och förändring av spänningen över modulatorn omväxlande koncentrerar och sprider fria bärare i vågledaren, för att modulera en optisk signal som passerar igenom.

MIT -forskarnas enhet är liknande, förutom att mitten av modulatorn – inklusive vågledaren som löper längs dess topp – är odopad. När en spänning appliceras, de fria bärarna samlas inte i mitten av enheten; istället, de byggs upp vid gränsen mellan n-typ kisel och odopade kisel. En motsvarande positiv laddning byggs upp vid gränsen med kisel av p-typ, producerar ett elektriskt fält, vilket är det som modulerar den optiska signalen.

Eftersom de fria bärarna i mitten av en konventionell kiselmodulator kan absorbera ljuspartiklar – eller fotoner – som färdas genom vågledaren, de minskar styrkan hos den optiska signalen; modulatorer som utnyttjar andra ordningens olineariteter möter inte det problemet.

Tar fart

I princip, de kan också modulera en signal snabbare än befintliga kiselmodulatorer gör. Det beror på att det tar längre tid att flytta fria bärare in i och ut ur vågledaren än att koncentrera och släppa dem vid gränserna med det odopade kislet. Det aktuella papperet rapporterar helt enkelt fenomenet olinjär modulering, men Timurdogan säger att laget sedan dess har testat
prototyper av en modulator vars hastigheter är konkurrenskraftiga med de för de olinjära modulatorerna som finns i telekomnät.

Frekvensdubblaren som forskarna visade har en liknande design, förutom att områdena av p- och n-dopat kisel som flankerar det centrala området av odopat kisel är arrangerade i regelbundet åtskilda band, vinkelrätt mot vågledaren. Avstånden mellan banden kalibreras till en specifik våglängd av ljus, och när en spänning appliceras över dem, de fördubblar frekvensen för den optiska signalen som passerar genom vågledaren, kombinerar par fotoner till enstaka fotoner med dubbelt så mycket energi.

Frekvensdubblare kan användas för att bygga utomordentligt exakta optiska klockor på chip, optiska förstärkare, och källor till terahertz -strålning, som har lovande säkerhetsapplikationer.

"Silicon har fått en enorm renässans inom det optiska kommunikationsområdet för en mängd olika applikationer, " säger Jason Orcutt, en forskare vid avdelningen för fysikaliska vetenskaper vid IBM:s Thomas J. Watson Research Center. "Dock, det finns fortfarande kvar applikationsutrymmen-från mikrovågsfotonik till kvantoptik-där bristen på andra ordningens olinjära effekter i kisel har förhindrat framsteg. Detta är ett viktigt steg mot att ta itu med ett bredare spektrum av applikationer inom de mogna kisel-fotonikplattformarna runt om i världen."

"Hittills, ansträngningarna att uppnå andra ordningens olinjära effekter i kisel har fokuserat på hårda materialvetenskapliga problem, "Tillägger Orcutt." [MIT] -teamet har varit extremt smart genom att påminna fysikgemenskapen om vad vi inte borde ha glömt. Att tillämpa ett enkelt elektriskt fält skapar samma grundläggande kristallpolarisationsvektor som andra forskare har arbetat hårt med att skapa med mycket mer komplicerade medel. "

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.