圖片來源：美國物理聯(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)室高級科學(xué)家Masaya Notomi說，“我們在工作中充分利用了這種特殊性質(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)上展示了次波長納米線設(shè)備”，Notomi說。
換言之，當(dāng)次波長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。
“對我們的工作來說，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。“通過一系列仔細(xì)的描述，我們證明了這種次波長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調(diào)節(jié)。”
利用納米線激光進(jìn)行光子集成需要滿足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，“其次，納米線激光必須能夠產(chǎn)生高速信號。第三，激光波長應(yīng)該大于1.2微米以避免被硅吸收，所以創(chuàng)建光通信波長在1.3微米至1.55微米之間的次波長納米線激光非常重要，從而能夠產(chǎn)生高速信號調(diào)節(jié)。”
實(shí)際上，此前展示的基于納米線的激光“波長均短于0.9微米，不能被用于硅光子集成電路——除了相對較粗的1.55微米的微米線激光脈沖激光展示之外。”Notomi說。這可能是因?yàn)椴ㄩL更長使其材料增益更小，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)合解決了這些問題。”Notomi 說，“我們的結(jié)果首次通過次波長納米線展示了連續(xù)波激光振蕩，也首次展示了通過納米線激光進(jìn)行的高速信號調(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。
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、光子探測以及硅光子集成電路開關(guān)等。
“我們期待未來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。
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。”
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。“我們想要展示我們能夠通過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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