ヴァンダービルト大学がサブピコ秒の光コンピューティングを開発

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(Optical computing at sub-picosecond speeds developed at Vanderbilt)

2021/1/14 アメリカ合衆国・ヴァンダービルト大学

・ ヴァンダービルト大学が、シリコン(Si)・二酸化バナジウム(VO2)のハイブリッド導波管を利用した、次世代超高速データ伝送技術を実証。1 兆分の 1 秒を下回る速さで光のオン・オフを切り替え、データストリームのボトルネック解消が期待できる。
・ 高速スイッチング機能を提供する相変化材料(PCM)の VO2 を Si チップに微量添加することでシリコンフォトニクス性能を向上させ、単一チャネルで 1TB/秒を超えるデータ伝送速度を初めて実証した。
・ 同ハイブリッド導波管に注入された光パルスは、別の光パルスが VO2 に照射するとオフに切り替わる。VO2 の材料特性に加え、VO2 での 2 つのレーザーパルスの相互作用の持続時間により、光パルスのオン・オフ切り替えの驚異的な速さを実現した。
・ シリコンフォトニクスでは、電流パルスの代わりに光パルスを利用して大量のデータを 0 と 1 の情報ビットとして伝送する。データは光パルスにエンコードされて光ファイバーを移動し、目的地に到着すると光検出器が光パルスを電気信号に変換する。
・ 1980 年代末にシリコンフォトニクス研究が開始して以来、このアプローチはコンピューターのデータ処理速度と計算能力を飛躍的に向上させてきた。現在ではオンラインやデジタルコンポーネントが日常生活の大きな部分を占めることから、光コンピューティング技術の進展に大きな関心が寄せられている。
・ 次には、VO2 コンポーネントのサイズ、形状と容量の最適化と、ハイブリッド導波管の別構成について検討する。
・ 本研究は、米国立科学財団(NSF)のグラントが支援した。
URL: https://news.vanderbilt.edu/2021/01/14/optical-computing-at-sub-picosecond-speeds-developed-at-vanderbilt/

<NEDO海外技術情報より>

(関連情報)

Advanced Opthical Materials 掲載論文(アブストラクトのみ:全文は有料)
Sub‐Picosecond Response Time of a Hybrid VO2:Silicon Waveguide at 1550 nm
URL: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202001721

Abstract

Hybrid material systems are a promising approach for extending the capabilities of silicon photonics. Given the weak electro‐optic and thermo‐optic effects in silicon, there is intense interest in integrating an ultrafast‐switching phase‐change material with a large refractive index contrast into the waveguide, such as vanadium dioxide (VO2). It is well established that the phase transition in VO2 thin films can be triggered by ultrafast, 800 nm laser pulses, and that pump‐laser fluence is a critical determinant of the recovery time of thin films irradiated by femtosecond pulses. However, thin‐film experiments are not reliable guides to a VO2:Si system for all‐optical, on‐chip switching because of the differences in VO2 optical constants in the telecommunication band, and the complex sample geometry and alignment issues in a waveguide geometry. This paper reports the first demonstration that the reversible, ultrafast photoinduced phase transition in VO2 can achieve sub‐picosecond response when small VO2 volumes are integrated into a silicon waveguide as the active element. The result suggests that VO2 can be pursued as a strong candidate for waveguide switching with sub‐picosecond on‐off times.

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