Forskare vid George Washington University utvecklade och demonstrerade för första gången en kiselbaserad elektrooptisk modulator som är mindre, lika snabb som och effektivare än den senaste tekniken. Genom att lägga till indiumtennoxid (ITO) – en transparent ledande oxid som finns i pekskärmar och solceller – till en fotonisk chipplattform av kisel, forskarna kunde skapa en kompakt enhet som var 1 mikrometer stor och kunde ge gigahertz snabbt, eller 1 miljard gånger per sekund, signalmodulering.

Elektrooptiska modulatorer är internets arbetshästar. De konverterar elektrisk data från datorer och smartphones till optiska dataströmmar för fiberoptiska nätverk, möjliggör modern datakommunikation som videostreaming. Den nya uppfinningen är aktuell eftersom efterfrågan på datatjänster växer snabbt och går mot nästa generations kommunikationsnätverk. Utnyttja deras kompakta fotavtryck, elektrooptiska omvandlare kan användas som omvandlare i optisk datorhårdvara såsom optiska artificiella neurala nätverk som efterliknar den mänskliga hjärnan och en uppsjö av andra tillämpningar för dagens liv.

Elektrooptiska modulatorer som används idag är vanligtvis mellan 1 millimeter och 1 centimeter stora. Att minska deras storlek möjliggör ökad förpackningstäthet, som är livsviktigt på ett chip. Medan kisel ofta fungerar som den passiva strukturen på vilken fotoniska integrerade kretsar är byggda, växelverkan mellan lätt materia mellan kiselmaterial inducerar en ganska svag optisk indexförändring, kräver ett större enhetsfotavtryck. Även om resonatorer kan användas för att förstärka denna svaga elektrooptiska effekt, de begränsar enheternas optiska funktionsområde och drar på sig hög energiförbrukning från erforderliga värmeelement.

Genom att heterogent lägga till ett tunt materialskikt av indiumtennoxid till kiselfotoniska vågledarchipet, forskare vid George Washington University, ledd av Volker Sorger, en docent i el- och datateknik, har visat en optisk indexförändring 1, 000 gånger större än kisel. Till skillnad från många konstruktioner baserade på resonatorer, denna spektralt bredbandsenhet är stabil mot temperaturförändringar och tillåter en enda fiberoptisk kabel att bära flera våglängder av ljus, öka mängden data som kan flytta genom ett system.

"Vi är glada över att ha uppnått detta decennielånga mål att demonstrera en GHz-snabb ITO-modulator. Detta sätter en ny horisont för nästa generations fotoniska omkonfigurerbara enheter med förbättrad prestanda men ändå minskad storlek, sa Dr Sorger.

Pappret, "Bredband Sub-λ GHz ITO Plasmonic Mach Zehnder Modulator på Silicon Photonics, " publicerades idag i tidskriften Optica .