Фотонные интегральные схемы (ИС) основаны на распространении света в оптических волноводах, и управление таким распространением света является центральной проблемой при создании этих микросхем, которые используют свет вместо электронов для передачи данных. Метод Ю может привести к созданию более быстрых, мощных и эффективных оптических чипов, которые, в свою очередь, могут преобразовать оптическую связь и обработку оптических сигналов.
Исследование опубликовано в Интернете в журнале Nature Nanotechnology 17 апреля.«Мы создали интегрированные нанофотонные устройства с наименьшими габаритами и самой большой рабочей полосой пропускания», — говорит Ю. «Степень, в которой мы теперь можем уменьшить размер фотонных интегрированных устройств с помощью наноантенн, аналогична тому, что произошло в 1950-х годах, когда большие вакуумные лампы были заменены полупроводниковыми транзисторами гораздо меньшего размера. Эта работа обеспечивает революционное решение для фундаментальная научная проблема: как наиболее эффективно управлять распространением света в волноводах? »Оптическая мощность световых волн, распространяющихся по волноводам, ограничена сердцевиной волновода: исследователи могут получить доступ к направленным волнам только через небольшие затухающие «хвосты», которые существуют около поверхности волновода. Этими неуловимыми направленными волнами особенно трудно манипулировать, поэтому фотонные интегрированные устройства часто имеют большие размеры, занимают место и, таким образом, ограничивают плотность интеграции устройства в микросхему.
Уменьшение размеров фотонных интегрированных устройств представляет собой главную задачу, которую стремятся решить исследователи, отражая исторический прогресс электроники, который следует закону Мура, согласно которому количество транзисторов в электронных ИС удваивается примерно каждые два года.Команда Ю обнаружила, что наиболее эффективный способ управления светом в волноводах — это «украсить» волноводы оптическими наноантеннами: эти миниатюрные антенны вытягивают свет изнутри сердцевины волновода, изменяют его свойства и выпускают свет обратно в волноводы. Накопительный эффект плотно упакованного массива наноантенн настолько силен, что они могут выполнять такие функции, как преобразование волноводных мод на расстоянии распространения не более чем в два раза превышающем длину волны.
«Это прорыв, учитывая, что традиционные подходы к реализации преобразования волноводных мод требуют устройств с длиной, в десятки сотен раз превышающей длину волны», — говорит Ю. «Нам удалось уменьшить размер устройства в 10–100 раз».Команды Ю создали преобразователи волноводных мод, которые могут преобразовывать один волноводный режим в другой волноводный режим; они являются ключевыми элементами технологии, называемой «мультиплексирование с разделением режимов» (MDM).
Оптический волновод может поддерживать основной волноводный режим и набор мод более высокого порядка, точно так же, как гитарная струна может поддерживать один основной тон и его гармоники. MDM — это стратегия существенного увеличения мощности обработки информации оптическим чипом: можно использовать один и тот же цвет света, но несколько разных режимов волновода для одновременной передачи нескольких независимых каналов информации по одному и тому же волноводу. «Этот эффект подобен, например, мосту Джорджа Вашингтона, который волшебным образом способен выдерживать в несколько раз больший объем трафика», — объясняет Ю. «Наши преобразователи волноводных мод могут позволить создать гораздо более емкие информационные каналы».Затем он планирует включить активно настраиваемые оптические материалы в фотонные интегрированные устройства, чтобы обеспечить активное управление светом, распространяющимся в волноводах.
Такие активные устройства будут основными строительными блоками очков дополненной реальности (AR) — очков, которые сначала определяют аберрации глаз владельца, а затем проецируют изображения с исправленными аберрациями в глаза — что он и его коллеги из Columbia Engineering, профессора Михал Липсон, Алекс Гаэта, Деметри Басов, Джим Хоун и Хариш Кришнасвами сейчас работают над. Ю также изучает преобразование волн, распространяющихся в волноводах, в сильные поверхностные волны, которые в конечном итоге могут быть использованы для химического и биологического зондирования на кристалле.