美陆军资助项目开发新型光学器件有望大幅推动光子芯片技术发展

广泛应用于高性能光栅耦合器、高能效激光器及激光雷达光学天线等的单向辐射(unidirectional emission)技术,是实现大规模光子集成和光子芯片的关键技术之一。目前,此技术大多通过分布式布拉格光栅反射镜、金属反射镜等镜面反射实现。然而,片上集成时,反射镜不仅体积大、结构复杂、加工难度高,还会引入额外的损耗和色散。

针对这一集成光子器件研究中亟待解决的关键问题,北京大学信息科学技术学院电子学系、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室彭超副教授课题组与麻省理工学院物理学系MarinSoljačić教授、宾夕法尼亚大学物理与天文学系甄博助理教授合作,从拓扑光子学视角提出一种在单层硅基板上不依靠反射镜而实现定向辐射的新方法。

彭超等人从拓扑荷操控出发,在光子晶体平板中实现了单向辐射的特殊谐振态,即单侧辐射导模共振(unidirectional guided-resonance,UGR)态,在一维光子晶体中通过倾斜侧壁同时破缺结构垂直对称性和面内对称性,使体系中连续区束缚态所携带的整数拓扑荷分裂为一对半整数拓扑荷,并在平板上、下两侧表面产生大小不等的辐射。

此时,维持对称性破缺,通过调控参数将一侧表面的成对半整数拓扑荷重新合并成整数拓扑荷,形成不依赖镜面仅朝一个表面辐射能量的UGR态。

联合课题组利用自主发展的倾斜刻蚀工艺制备样品,实验上观测到非对称辐射比高达27.7dB;这就意味着超过99.8%的光子能量朝一侧定向辐射,较传统设计提高了1~2个数量级,从而有力证明了单向辐射导模共振态的有效性和优越性。

军方资助的研究人员开发了一种新型光学器件,可以帮助使光纤通信更加节能
通过操控拓扑荷演化,实现单向导模共振态

该技术有望显著降低片上光端口的插入损耗,大幅推动高密度光互连和光子芯片技术的发展。

该项目部分由陆军研究办公室资助,该办公室是美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室的一个组成部分。该研究试图开发一种新型光学器件设计,它可以单向辐射光。这种单面光辐射通道可用于广泛的光电子应用,以减少光纤网络和数据中心的能量损失。

光在光纤中往往沿着一个方向流动,就像水流过管道一样。片上耦合器用于将光纤与芯片连接,在芯片上产生、放大或检测光信号。当大部分光通过耦合器继续通过光纤时,部分光会向相反的方向流动,从而漏出。

数据流量中的能源消耗很大一部分是由于这种辐射损失。数据中心的总能耗占全球电力需求的2%,而且需求量每年都在增加。

以往的研究一致认为,光纤和芯片之间的每个接口处的最小损耗为25%,这是一个无法超越的理论上限。因为数据中心需要复杂的、交织的节点系统,所以当光通过网络时,这25%的损耗会迅速成倍增加。

在一个典型的中型数据中心中,你可能需要通过5个节点(10个接口)与另一台服务器进行通信,如果使用现有的设备,会导致95%的总损耗。事实上,需要增加辅助元器件来反复放大和中继信号,这就引入了噪声,降低了信噪比,最终降低了通信带宽。

在对该系统进行更详细的研究后,研究团队发现,在他们的设备中打破左右对称可以将损耗降到零。

这些令人兴奋的结果有可能刺激对陆军系统的新研究投资,”陆军研究办公室光电子学项目经理Michael Gerhold博士说。”不仅耦合效率的提高有可能改善商业数据中心的数据通信,而且这些结果对光子系统带来了巨大的影响,在光子系统中,更低强度的信号可以用于相同的精度计算,从而使电池供电的光子计算机成为可能。”

研究小组最终确定了一种新设计他们开发了一种新的蚀刻方法:将硅片放置在楔形基底上,使蚀刻以倾斜的角度进行。相比之下,标准蚀刻机只能创建垂直侧壁。未来研究小组希望进一步开发这种蚀刻技术,使之与现有的铸造工艺兼容,并提出一种更简单的蚀刻设计。

作者希望这种应用既能帮助光在短距离内更有效地传播,如在光纤电缆和服务器芯片之间,也能在长距离内传播,如远程激光雷达系统。

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