近日，哥倫比亞大學應用物理系助理教授虞南方(Nanfang Yu)博士率領的研究團隊，利用納米天線，成功地發(fā)明了一種能夠在狹窄路徑，或者所謂的“波導”中，對光線傳播進行高效控制的新途徑。該論文發(fā)表于4月17日在線出版的《自然·納米技術》雜志上。
相比于依賴電子進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募呻娐?，光子集成電?IC)利用在波導中傳播的光線進行數(shù)據(jù)傳輸。而打造這類電路的關鍵之處在于對光傳播這一過程進行有效地控制。虞教授的方法將為人們帶來更快、更強大、效能更高的光子芯片。不僅如此，這樣的芯片反過來也將為光子通信與光子信號處理帶來翻天覆地的變革。
虞教授說，我們所打造的這一個集成納米光子器件，所占面積是有史以來最小，但卻同時擁有迄今為止最寬的工作帶寬。在納米天線的幫助下，我們能夠大大減小光子集成器件的尺寸。而尺寸減小的程度，不亞于在20世紀50年代時，由半導體晶體管取代大型真空管的那一大跨越。如何能夠以有效的方式去控制波導中傳播的光線?這個問題一直是這一領域最為基礎和重要的科學問題。而我們的工作則為這個問題找到了一個革命性的答案。
沿波導傳播的光波的光功率被限制在波導的核心范圍內(nèi)：研究人員通常只能通過波導表面附近存在的細微的、逐漸消逝的“尾跡”去尋找有關導波的蛛絲馬跡。這些詭譎難測的導波特別難以實現(xiàn)精確操縱。因此在以往實踐中，光子集成器件往往設計成較大的尺寸，占用空間不說，還限制了芯片的器件集成密度。縮小光子集成器件的尺寸一直是研究人員希望能夠攻克的難題之一。
虞教授的團隊發(fā)現(xiàn)，對于在波導管中傳播的光線而言，最為有效的控制手段是利用光線納米天線去“修飾”波導管。這些微型天線能夠從波導芯片內(nèi)部吸收光線，改變光線的性質(zhì)，隨后又將這些修飾過的光線釋放回波導之中。密集堆疊的納米天線表現(xiàn)出了極強的累積效應，他們能夠在不超過兩倍波長的傳播距離內(nèi)，實現(xiàn)諸如波導模式轉(zhuǎn)換等功能。
虞教授說，“在傳統(tǒng)方法中，我們使用的器件長度大多數(shù)達到了波長的數(shù)百倍?？紤]到這一點，我們的研究稱得上是一次重大突破。我們已經(jīng)能夠?qū)⒃O備的尺寸減小到原來的十分之一甚至百分之一。”
圖 | 光子集成電路示意圖，其中一條分支將入射的基本波導模式轉(zhuǎn)換成二階模式
虞教授團隊打造了一款可將某一波導模式轉(zhuǎn)換為另一波導模式的模式轉(zhuǎn)換器。而這一轉(zhuǎn)換器是實現(xiàn)所謂的“模式分多路復用”(MDM)這一技術的關鍵所在。一個光波導可以承載一組基礎波導模式，以及一系列更高階的波導模式，正如同一根吉他弦既能彈奏出一個基本音，也可以作為和弦中的一部分。
MDM這一手段能夠大大增強一塊光學芯片的信息處理能力。具體來說，在同一根波導管內(nèi)，人們可以使用顏色相同但是擁有不同波導模式的光線，實現(xiàn)同時傳輸多個獨立的信道。打個比方說，這種效果就像是金門大橋的交通承載能力在一夜之間擴容了好幾倍。虞教授解釋道，我們的波導模式轉(zhuǎn)換器使得創(chuàng)建更多的信息途徑成為了可能。
虞教授的下一步計劃，是將具有主動調(diào)節(jié)功能的光學材料置入光子集成器件內(nèi)部，從而實現(xiàn)對在波導內(nèi)部傳播的光線的主動控制。該裝置有望成為現(xiàn)實增強(AR)眼鏡的基本組成單元?，F(xiàn)實增強眼鏡的原理是首先確定佩戴者的眼鏡像差，隨后將經(jīng)過校正的圖像投影到眼鏡之中。
目前，虞教授正與他在哥倫比亞工程系的同事們，包括麥克·立普森(Michael Lipson)教授，艾利克斯·該塔(Alex Gaeta)，德米特里·巴索夫(Demetri Basov)，吉姆·霍恩(Jim Hone)和哈里什·克里史娜斯瓦米(Harish Krishnaswamy)就這一項目展開合作。除此之外，虞教授還在探索將波導中傳播的波轉(zhuǎn)換為強表面波，在未來，這或許可用作芯片上的化學與生物傳感器。
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