Un equipo dirigido por ingenieros de Vanderbilt ha logrado la capacidad de transmitir dos tipos diferentes de señales ópticas a través de un solo chip al mismo tiempo.

El avance presagia un aumento potencialmente dramático en el volumen de datos que un chip de silicio puede transmitir durante cualquier período de tiempo. Con este proyecto, el equipo de investigación fue más allá de los modelos teóricos y demostró el procesamiento óptico de doble banda, expandiendo significativamente la funcionalidad del silicio como plataforma fotónica.

Joshua Caldwell, profesor asociado de ingeniería mecánica, y Cornelius Vanderbilt Profesora Sharon Weiss, profesor de ingeniería eléctrica, lideró el equipo, que también incluyó miembros de la facultad de la Universidad de Columbia, la Universidad de Iowa, y la Universidad Estatal de Kansas.

Su investigación, "Luz guiada de infrarrojos medios e infrarrojos cercanos dentro de una heteroestructura híbrida de material hiperbólico / guía de ondas de silicio, "se publicó en línea en Materiales avanzados el 1 de febrero. Aparece en la portada interior de la edición impresa del 16 de marzo de la revista.

El trabajo es un avance importante en la fotónica de silicio, que utiliza luz en lugar de señales eléctricas para transmitir datos. La necesidad de un procesamiento más rápido y expandido ha superado los límites de agregar más cable a chips cada vez más pequeños, que requiere más potencia, crea más calor, y pone en riesgo la integridad de los datos. El uso de silicio estampado para transmitir señales ópticas consume menos energía sin calentar ni degradar la señal.

Todavía, hacer más con el mismo chip ha sido un desafío. Las guías de ondas de silicio proporcionan el componente principal de la fotónica en chip, confinando la luz y dirigiéndola a componentes ópticos funcionales para el procesamiento de señales. Las diferentes formas de luz necesitan diferentes guías de ondas, pero el escalado lineal para acomodar más guías de ondas superaría rápidamente el espacio disponible de un chip de silicio en el factor de forma estándar.

"Ha sido difícil combinar la transmisión de infrarrojo cercano y medio en el mismo dispositivo, "dijo Mingze He, un Ph.D. en ingeniería mecánica de Vanderbilt. estudiante y primer autor del artículo.

Dos innovaciones, un enfoque novedoso y una geometría del dispositivo, permitieron guiar frecuencias de luz dispares dentro de la misma estructura. Tal multiplexación de frecuencia no es nueva, pero la capacidad de expandir el ancho de banda dentro del mismo espacio disponible sí lo es.

Aprovechando las propiedades infrarrojas del nitruro de boro hexagonal, los investigadores idearon un híbrido, plataforma de guía de ondas fotónica de silicio hiperbólico. En el infrarrojo medio, la estructura del cristal de hBN puede soportar un nuevo tipo de modo óptico llamado polaritón de fonón hiperbólico. Se demostró que estos polaritones hiperbólicos guían longitudes de onda de luz del infrarrojo medio dentro de losas de espesor a nanoescala, con los modos ópticos siguiendo el camino de la guía de ondas de silicio subyacente.

El enfoque no requiere ninguna fabricación adicional del hBN y puede admitir el procesamiento de señales y las modalidades de detección química simultáneamente. sin la necesidad de ampliar el factor de forma del dispositivo.

"La inclusión del IR medio ofrece oportunidades prometedoras para combinar el procesamiento de señales con la detección química, o esquemas de modulación que no son posibles solo con señales de infrarrojo cercano, "Dijo Caldwell.

Mid-IR se utiliza ampliamente en las industrias química y agrícola; Las aplicaciones de infrarrojos cercanos incluyen telecomunicaciones y diagnósticos médicos.