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新元件,能在矽晶片上實現完整光學迴路

在「光子晶片(photonic chips)」的開發上,最近幾年有了重大進展 — 這些裝置使用光束而非電子流來完成其運算任務。現在,MIT 研究者已克服一個難關,使我們能在標準的、構成今日絕大多數電子產品基礎的矽材料上創造光子晶片。

在眾多今日的通訊系統中,資料透過以光纖傳輸的光束來傳遞。一旦光訊號抵達目的地,就會被轉換成電的形態,透過電子迴路來處理,然後再透過雷射轉換成光。這種新裝置能消除這些額外的電轉換步驟,讓光訊號得以被直接處理。

這個新元件是一個「光的二極體(diode for light)」,Caroline Ross 表示,MIT Toyota 材料科學與工程教授是一篇論文的共同作者,該論文發表在 11/13 Nature Photonics 期刊的線上版。它可比擬為電子的二極體 — 一種讓電流朝某一方向流動,並阻止它往其他方向去的裝置;在本例中,它創造出一條光而非電子的「單行道」。

Ross 解釋,這是必要的,因為,若沒有這麼一個裝置,散亂反射(stray reflections)會使用來產生光訊號的雷射變得不穩定並減少傳輸效率。目前,一種稱為分離器(isolator)的分離裝置(discrete device)被用來執行這項功能,不過這套新系統使得這種功能成為同一個晶片(那完成其他訊號處理任務)的一部分。

為了開發此裝置,研究者得要尋找一種同時兼具透明與磁性的材料 — 這二種特性很難同時出現。她們最後使用柘榴石(garnet,石榴石)這種材料的某一種形態。柘榴石通常難以在微晶片所用的矽晶圓上生長。柘榴石之所以適合,是因為透過它朝某一方向傳輸光線天生就與另一方向不同:端看光的方向,它具有不同的折射率(光進入材料時會彎曲)。

研究者能沈積一層薄薄的柘榴石薄膜,以蓋住某一迴圈的一半。該迴圈連接到某晶片的光傳輸通道上。結果,朝某一方向穿越晶片的光可自由地通過,而朝另一方向走的光束則會改道進入迴圈中。

整套系統能以標準的微晶片製造機制製造,Ross 表示。"那簡化了全光學晶片的製造," 她說。(光)迴路的設計「可以像積體電路人員設計一整套微處理那樣」被製作,"現在你能夠完成一套積體光學迴路(integrated optical circuit)了。"

Ross 表示,基於不同的材料,可能使系統的商業化更容易。"一個矽平台正是你想要用的," 她說,因為 “在矽製程中有很龐大的基礎建設。每個人都知道如何處理矽。那意味他們能著手開發晶片而不用擔心新的製造技術。"

基於二個理由,這項技術能大幅提升資料傳輸系統的速度:首先,光的傳播比電子更快。其次,導線只能載送單一電子資料流,而光運算則能使用多道光束,乘載不同的資料流通過光線或光學迴路而不會產生干擾。"就速度而論," 這對通訊系統而言,"也許是下一個世代," Ross 說。

Ross 的研究夥伴包括 Lionel Kimerling,Thomas Lord 材料科學與工程教授以及前學生 Lei Bi(2011)與 Juejun Hu 博士(2009)。這項研究由 NSF 以及一筆 Bi 的 Intel 獎金資助。

“這在光學通訊中是一大進展," Bethanie Stadler 說,Minnesota 大學的電機與電腦工程教授,其並未涉及該研究。她說。"身為第一個整合柘石榴的(矽)裝置",這項研究很「有意義」。

資料來源:PHYSORG:Research produces long-sought component to allow complete optical circuits on silicon chips[November 23, 2011]

轉載自only-percpetion

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妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D