Ett team som leds av Vanderbilt -ingenjörer har uppnått förmågan att överföra två olika typer av optiska signaler över ett enda chip samtidigt.

Genombrottet är en potentiellt dramatisk ökning av datamängden som ett kiselchip kan överföra över en viss tid. Med detta projekt, forskargruppen rörde sig bortom teoretiska modeller och visade dubbelband optisk bearbetning, väsentligt utöka funktionaliteten hos kisel som en fotonikplattform.

Joshua Caldwell, docent i maskinteknik, och Cornelius Vanderbilt professor Sharon Weiss, professor i elektroteknik, ledde laget, som också inkluderade lärare från Columbia University, University of Iowa, och Kansas State University.

Deras forskning, "Guidad mellan -IR och nära -IR -ljus inom en hybridhyperbolisk material/silikonvågledar -heterostruktur, "publicerades online i Avancerade material den 1 februari. Det finns på insidan av omslaget till den 16 mars tryckta upplagan av tidningen.

Arbetet är ett viktigt framsteg inom kiselfotonik, som använder ljus snarare än elektriska signaler för att överföra data. Behovet av snabbare och utökad bearbetning har nästan överträffat gränserna för att lägga till mer tråd till mindre och mindre chips, som kräver mer kraft, skapar mer värme, och riskerar dataintegritet. Att använda mönstrat kisel för att överföra optiska signaler använder mindre ström utan att värma upp eller försämra signalen.

Fortfarande, att göra mer med samma chip har varit utmanande. Kiselvågledare ger den grundläggande byggstenen för fotonik på chip, begränsa ljus och dirigera det till funktionella optiska komponenter för signalbehandling. Olika former av ljus behöver olika vågledare, men linjär skalning för att rymma fler vågledare skulle snabbt överträffa det tillgängliga utrymmet för ett kiselchip i standardformfaktorn.

"Det har varit svårt att kombinera nära-infrarött och mitt-infrarött överföring i samma enhet, "sa Mingze He, en Vanderbilt maskinteknik Ph.D. student och första författare till uppsatsen.

Två innovationer - ett nytt tillvägagångssätt och enhetsgeometri - gjorde det möjligt att styra olika ljusfrekvenser inom samma struktur. Sådan frekvensmultiplexering är inte ny men möjligheten att expandera bandbredden inom samma tillgängliga utrymme är.

Utnyttja de infraröda egenskaperna hos hexagonal bornitrid, forskare utarbetade en hybrid, hyperbolisk-kisel fotonisk vågledarplattform. I mitten av infrarött, strukturen för hBN -kristallen kan stödja en ny typ av optiskt läge som kallas en hyperbolisk fononpolariton. Dessa hyperboliska polaritoner visade sig vägleda länge, mellersta infraröda våglängder av ljus inom plattor med nanoskala tjocklek, med de optiska lägena som följer vägen för den underliggande kiselvågledaren.

Tillvägagångssättet kräver ingen ytterligare tillverkning av hBN och kan stödja signalbehandling och kemiska avkänningsmetoder samtidigt, utan behov av att utöka enhetens formfaktor.

"Införandet av mitten av IR erbjuder lovande möjligheter för att kombinera signalbehandling med kemisk avkänning, eller moduleringsscheman inte möjliga med nära-IR-signaler ensamma, "Sa Caldwell.

Mid-IR används ofta i den kemiska och jordbruksindustrin; tillämpningar av nära-IR inkluderar telekommunikation och medicinsk diagnostik.