圖片來(lái)源：美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)
與大量成功的電子集成故事不同，光子集成仍處于嬰兒階段。不同于電子集成，它面臨的一個(gè)最嚴(yán)重的障礙是需要用各種材料獲得不同功能。讓事情進(jìn)一步復(fù)雜化的是，光子集成的很多材料與硅集成技術(shù)不能共融。
到目前為止，將各種功能性納米線置入光子電路以達(dá)到所需功能的嘗試表明，納米線過(guò)小而不能限制光。而更粗的納米線盡管能夠提高光限制和性能，卻會(huì)增加能量消耗和設(shè)備足跡，在集成方面這兩點(diǎn)被認(rèn)為是“致命”的。
為了解決這一問(wèn)題，日本電信電話株式會(huì)社（NTT）研究人員想到了一個(gè)方法，將次波長(zhǎng)納米線與一個(gè)光子晶體平臺(tái)相連，他們近日在發(fā)表于美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)出版社的《APL光子學(xué)》期刊上報(bào)告了相關(guān)成果。
光子晶體——折光率呈現(xiàn)周期性調(diào)節(jié)的人工結(jié)構(gòu)——是其發(fā)揮作用的關(guān)鍵。
“一個(gè)光子晶體的本地小折光率調(diào)節(jié)能夠產(chǎn)生強(qiáng)大的光限制，形成超強(qiáng)質(zhì)量的光學(xué)共振器。”NTT基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室高級(jí)科學(xué)家Masaya Notomi說(shuō)，“我們?cè)诠ぷ髦谐浞掷昧诉@種特殊性質(zhì)。”
回到2014年，該團(tuán)隊(duì)證明可以用直徑僅有100納米的次波長(zhǎng)納米線較強(qiáng)地限制光，方法是將其置于一個(gè)硅光子晶體上。那時(shí)，“證明這種限制機(jī)制仍處于初步階段，但我們的工作成功地用這種方法在一個(gè)硅平臺(tái)上展示了次波長(zhǎng)納米線設(shè)備”，Notomi說(shuō)。
換言之，當(dāng)次波長(zhǎng)納米線自身不能成為具備強(qiáng)光限制的共振器時(shí)，在被置于一個(gè)光子晶體上時(shí)，它會(huì)導(dǎo)致折光率調(diào)節(jié)產(chǎn)生光限制。
“對(duì)我們的工作來(lái)說(shuō)，我們會(huì)精心準(zhǔn)備一個(gè)擁有充分大光學(xué)增益的III-V半導(dǎo)體納米線，通過(guò)使用（納米探針操作技術(shù)）將其放置在一個(gè)硅光子晶體的狹槽內(nèi)，從而形成一個(gè)光學(xué)納米共振器。”該文章首席作者、NTT基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室Notomi團(tuán)隊(duì)研究人員Masato Takiguchi說(shuō)。“通過(guò)一系列仔細(xì)的描述，我們證明了這種次波長(zhǎng)納米線能夠展示出連續(xù)波激光振蕩以及每秒10千兆比特的高速信號(hào)調(diào)節(jié)。”
利用納米線激光進(jìn)行光子集成需要滿(mǎn)足3個(gè)必要條件。“首先，納米線需要足夠小并具有充分的強(qiáng)光限制性能，這可以確保極小的足跡和能量消耗。”Takiguchi 說(shuō)，“其次，納米線激光必須能夠產(chǎn)生高速信號(hào)。第三，激光波長(zhǎng)應(yīng)該大于1.2微米以避免被硅吸收，所以創(chuàng)建光通信波長(zhǎng)在1.3微米至1.55微米之間的次波長(zhǎng)納米線激光非常重要，從而能夠產(chǎn)生高速信號(hào)調(diào)節(jié)。”
實(shí)際上，此前展示的基于納米線的激光“波長(zhǎng)均短于0.9微米，不能被用于硅光子集成電路——除了相對(duì)較粗的1.55微米的微米線激光脈沖激光展示之外。”Notomi說(shuō)。這可能是因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)更長(zhǎng)使其材料增益更小，從而很難讓細(xì)納米線獲得激光。
此外，“任何類(lèi)型納米線的高速調(diào)節(jié)的零示范也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。”他指出，這也是因?yàn)樾≡鲆媪俊?br />
“通過(guò)當(dāng)前的工作，我們把納米線和硅光子晶體相結(jié)合解決了這些問(wèn)題。”Notomi 說(shuō)，“我們的結(jié)果首次通過(guò)次波長(zhǎng)納米線展示了連續(xù)波激光振蕩，也首次展示了通過(guò)納米線激光進(jìn)行的高速信號(hào)調(diào)節(jié)。”
該團(tuán)隊(duì)能夠?qū)崿F(xiàn)每秒10千兆比特的調(diào)節(jié)，這與傳統(tǒng)上用于光學(xué)通信的直接調(diào)節(jié)高速激光相差無(wú)幾。
“這證明了納米線激光展示出信息處理的前景，特別是在光子集成回路中。”Notomi說(shuō)。
該團(tuán)隊(duì)目前最具前景的工作是基于納米線的光子集成電路，他們將利用各種不同的納米線實(shí)現(xiàn)不同的功能，如激光、光子探測(cè)以及硅光子集成電路開(kāi)關(guān)等。
“我們期待未來(lái)15年內(nèi)將會(huì)需要裝有芯片光子網(wǎng)絡(luò)的處理器，而基于納米線的光子合成將是一個(gè)潛在的解決辦法。”Notomi說(shuō)。
談到激光，該團(tuán)隊(duì)的下一個(gè)目標(biāo)是集成擁有輸入或輸出波導(dǎo)的納米線激光。
“盡管這種集成對(duì)基于納米線的設(shè)備一直是一個(gè)有難度的任務(wù)，但我們期待它會(huì)在我們的平臺(tái)上更加容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楣庾泳w平臺(tái)在波導(dǎo)連接方面具有內(nèi)在優(yōu)勢(shì)。”
該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃利用同樣的技術(shù)“選擇不同納米線”建立“光子設(shè)備而非激光”，Takiguchi 說(shuō)。“我們想要展示我們能夠通過(guò)在單一芯片上擁有不同功能集成大量光子設(shè)備。”
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