美国实现声波制造超微型光二极管解决光子集成电路数据容量挑战

美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校研究人员发现，声波可以用于生产超微型光学二极管。这种二极管被称为光隔离器，有助于为计算和通信用的光子集成电路解决主要数据容量和系统尺寸方面的问题。该研究发表在《Nature Photonics》上。

 研究背景

隔离器是类似于电子二极管的非互易或“单向”器件，它们保护激光源免受背向反射，并且是光网络周围的光信号路由所必需的器件。研究人员表示，目前生产这种“单向”器件的主要技术需要改变其光学特性以响应磁场的材料。

机械科学与工程教授Gaurav Bahl是该研究成果作者之一，他表示，使用磁响应材料实现光子芯片中的单向光流存在几个问题，首先，工业界不能将紧凑的磁铁放在芯片上，但更重要的是，光电代工厂还没有所需的材料，这就是为什么工业界迫切需要一种更好的解决方法，即只使用传统的材料且完全避免磁场。

 研究过程

研究人员表示，器件的物理尺寸和材料的可用性并不是现有技术存在的唯一问题。

研究成果的主要作者Benjamin Sohn表示，实验室试图生产紧凑型磁性光隔离器，但一直受到大的光损耗的困扰，光电行业无法承受这种与材料有关的损失，同时也需要一种能够提供足够带宽的解决方案，以便与传统磁性技术相媲美。迄今为止，还没有一种具有竞争力的无磁性解决方法。

Gaurav Bahl表示，日常生活中看不到光与声的相互作用，光线可以穿过一个透明的玻璃窗而不会做任何奇怪的事情，他们的研究领域已经发现，光线和声音确实是以非常微妙的方式相互作用的。如果运用正确的工程原理，就可以通过合适的方式震动一种透明的材料，以增强光和声相互作用的效果，从而解决重大的科学挑战。

研究人员在光电领域权威杂志《自然光子学》（Nature Photonics）上发表了相关研究报告，解释了他们如何利用光与声之间的微小耦合来提供一种独特的解决方案，使得几乎所有光子材料的“单向”器件成为可能。

通过光和声的耦合，可以为光子集成电路解决主要的数据容量挑战。

 研究成果

新器件尺寸为200×100微米，由氮化铝（AlN）制成，这是一种可传输光线的透明材料，并与光电代工厂兼容。Benjamin Sohn表示，声波产生的方式类似于压电扬声器，使用的是用电子束直接写在AlN上的微小电极，这些声波迫使器件内的光只向一个方向传播，这是无磁隔离器首次实现超过千兆赫的带宽。

 下一步研究

研究人员正在寻找方法来增加这些隔离器的带宽或数据容量，并相信他们可以克服这个障碍。一旦这种情况得到改善，就会带来在光子通信系统、陀螺仪、GPS系统、原子计时和数据中心的变革性应用。

Gaurav Bahl表示，数据中心处理大量的互联网数据流，并因保持联网和服务器的散热而消耗大量的电力，因此，光通信是可取的，因为这种方式产生的热量少得多，这意味着在服务器散热方面可以消耗更少的能量，同时每秒发送更多的数据。

内容来源：科技部、讯石光通讯