I motsats till den enorma framgångssagan med elektronisk integration, fotonisk integration är fortfarande i sin linda. Ett av de allvarligaste hindren det möter är behovet av att använda en mängd olika material för att uppnå olika funktioner – till skillnad från elektronisk integration. För att komplicera saken ytterligare, många av materialen som krävs för fotonisk integration är inte kompatibla med kiselintegreringsteknik.

Hittills försök att placera en mängd funktionella nanotrådar i fotoniska kretsar för att nå önskade funktioner har visat att, även om det är fullt möjligt, nanotrådar tenderar att vara för små för att effektivt begränsa ljus. Medan större nanotrådar kan förbättra ljusinneslutningen och prestanda, det ökar både energiförbrukningen och enhetens fotavtryck – som båda anses vara "ödliga" när det kommer till integration.

För att lösa detta problem, en grupp forskare från NTT Corp. i Japan kom på ett tillvägagångssätt som innebär att kombinera en nanotråd med subvåglängd med en fotonisk kristallplattform, vilket de rapporterar denna vecka i journalen APL fotonik .

Fotoniska kristaller - konstgjorda strukturer vars brytningsindex moduleras periodiskt - är kärnan i deras arbete.

"En liten lokal brytningsindexmodulering av en fotonisk kristall producerar stark ljusinneslutning som leder till optiska nanoresonatorer av hög kvalitet, sa Masaya Notomi, en framstående forskare för NTT Basic Research Laboratories. "Vi utnyttjar denna speciella funktion till fullo i vårt arbete."

Tillbaka 2014, samma grupp visade att det var möjligt att starkt begränsa ljus i en sub-våglängd nanotråd med en diameter av 100 nanometer genom att placera den på en fotonisk kiselkristall. Vid den tiden, "det var en preliminär demonstration av instängningsmekanismen, men med vårt nuvarande arbete har vi framgångsrikt demonstrerat sub-våglängds nanotrådsdrift på en kiselplattform genom att använda denna metod, sa Notomi.

Med andra ord:Medan en nanotråd med subvåglängd inte kan bli en resonator med stark ljusinneslutning på egen hand, när den placeras på en fotonisk kristall orsakar den den brytningsindexmodulering som behövs för att generera ljusinneslutningen.

"För vårt arbete, vi förbereder noggrant en III-V-halvledarnanotråd med tillräckligt stor optisk förstärkning och placerar den i en slits av en fotonisk kiselkristall genom att använda nanosondsmanipulationstekniken, ' vilket resulterar i en optisk nanoresonator, sa Masato Takiguchi, tidningens huvudförfattare och en forskare som arbetar inom Notomis grupp vid NTT Basic Research Laboratories. "Med en serie noggranna karaktäriseringar, Vi har visat att den här sub-våglängds nanotråden kan uppvisa kontinuerlig våglaseroscillation och höghastighetssignalmodulering vid 10 Gbps."

För att använda nanotrådslasrar för fotonisk integration, tre väsentliga krav måste uppfyllas. "Först, en nanotråd bör vara så liten som möjligt för tillräckligt stark ljusinneslutning, som säkerställer ett ultralitet fotavtryck och energiförbrukning, " sa Takiguchi. "För det andra, en nanotrådslaser måste kunna generera höghastighetssignaler. Tredje, lasrvåglängden bör vara längre än 1,2 mikron för att undvika absorption i kisel, så det är viktigt att skapa nanotrådslasrar med subvåglängd vid optiska kommunikationsvåglängder – 1,3 till 1,55 mikron – som kan modulera signaler med hög hastighet."

Faktiskt, tidigare demonstrationer av nanotrådsbaserade lasrar "har alla varit vid våglängder kortare än 0,9 mikron, som inte kan användas för kiselfotoniska integrerade kretsar - förutom en pulsad lasrdemonstration av relativt tjocka mikron-trådslasrar vid 1,55 mikron, " sa Notomi. Detta beror förmodligen på att materialvinsten är mindre vid längre våglängder, vilket gör det svårt för tunna nanotrådar att uppnå lasring.

Utöver detta, "Noll demonstrationer av höghastighetsmodulering av alla typer av nanotrådar har materialiserats, " noterade han. Detta beror också på den lilla förstärkningsvolymen.

"Med vårt nuvarande arbete, vi har löst dessa problem genom att kombinera en nanotråd och en fotonisk kiselkristall, "Notomi sa. "Vårt resultat är den första demonstrationen av kontinuerlig vågs lasrande oscillation av en sub-våglängds nanotråd, samt den första demonstrationen av höghastighetssignalmodulering med en nanotrådslaser."

Gruppen kunde uppnå 10-Gbps modulering, som är jämförbar med konventionella, direktmodulerade höghastighetslasrar som används för optisk kommunikation.

"Detta bevisar att nanotrådslasrar visar lovande för informationsbehandling - speciellt fotoniska integrerade kretsar, sa Notomi.

Den mest lovande applikationen för gruppens nuvarande arbete är nanotrådsbaserade fotoniska integrationskretsar, för vilka de kommer att använda olika olika nanotrådar för att uppnå olika funktioner – som lasrar, fotodetektorer, och omkopplare i kiselfotoniska integrerade kretsar.

"Det förväntas att processorer utrustade med ett on-chip fotoniskt nätverk kommer att behövas inom cirka 15 år, och nanotrådsbaserad fotonisk integration kommer att vara en möjlig lösning, sa Notomi.

När det gäller laser, gruppens nästa mål är att integrera nanotrådslasrar med in-/utgångsvågledare.

"Även om den här typen av integration har varit en svår uppgift för nanotrådsbaserade enheter, vi förväntar oss att det kommer att bli mycket enklare i vår plattform eftersom den fotoniska kristallplattformen är i sig överlägsen när det gäller vågledaranslutningen, " Sa Takiguchi. "Vi kommer att sikta på rumstemperatur strömdriven lasring också."

Gruppen planerar också att använda samma teknik för att skapa "andra fotoniska enheter än lasrar genom att välja olika nanotrådar, "Vi vill visa att vi kan integrera ett antal fotoniska enheter genom att ha olika funktioner på ett enda chip."