實(shí)驗(yàn)室通過光子晶體和納米線組合實(shí)現(xiàn)光子集成新突破

 LinkedIn與電子一體化的巨大成功故事相反，光子集成技術(shù)還處于起步階段。它面臨的最嚴(yán)重的障礙之一是需要使用不同的材料來實(shí)現(xiàn)不同的功能，不像電子集成。更復(fù)雜的是，許多光子集成所需的材料與硅集成技術(shù)不兼容。

到目前為止，在光子電路中放置各種功能納米線，以達(dá)到所需的功能已經(jīng)表明，雖然完全有可能，納米線往往太小，很難可有效地限制光。雖然較大的納米線可以提高光的限制和性能，但它增加了能源消耗和設(shè)備的體積，兩者對(duì)于設(shè)計(jì)集成器件時(shí)都被認(rèn)為是“致命的”。

針對(duì)這一問題，日本NTT公司的一組研究人員提出了一種方法，該方法包括將亞波長(zhǎng)納米線與光子晶體平臺(tái)相結(jié)合，他們本周在《應(yīng)用物理學(xué)報(bào)》雜志上進(jìn)行了相關(guān)報(bào)道。

折射率具有周期性調(diào)制的光子晶體人工結(jié)構(gòu)是其工作的核心。

“一個(gè)較小部位的折射率調(diào)制的光子晶體產(chǎn)生的強(qiáng)烈的光限制，形成超高質(zhì)量光學(xué)納米諧振器，”Masaya Notomi說，他是NTT基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室的一位杰出的科學(xué)家。“我們?cè)谖覀冞M(jìn)行的這項(xiàng)工作中充分利用了這一特點(diǎn)。”

早在2014年，這同一研究小組的研究就曾表明，利用放置在硅光子晶體中的直徑為100納米的納米線，可以很強(qiáng)烈地限制一個(gè)亞波長(zhǎng)的光。當(dāng)時(shí)，“這是約束機(jī)制的初步論證，但我們目前的工作，我們已經(jīng)成功地證明了亞波長(zhǎng)納米線器件在硅平臺(tái)的操作，也是通過使用這種方法，”Notomi說。

換句話說：當(dāng)一個(gè)亞波長(zhǎng)納米線不能成為一個(gè)具有強(qiáng)烈限制光本身的諧振器時(shí)，放置在光子晶體中時(shí)，它會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生光限制所需的折射率調(diào)制條件。

“在我們的工作中，我們精心準(zhǔn)備了III-V族半導(dǎo)體納米線具有足夠大的光學(xué)增益并將它們放在一個(gè)具有槽結(jié)構(gòu)的硅光子晶體，應(yīng)用納米探針技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)光學(xué)的納米諧振器，”Masato Takiguchi說，他是該論文的主要作者，并和其它研究者工作在NTT基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室共同進(jìn)行這項(xiàng)研究。“通過一系列仔細(xì)的刻畫，我們已經(jīng)證明，這種亞波長(zhǎng)納米線可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)波激射振蕩和在10 Gbps的高速信號(hào)的調(diào)制。”

使用納米線激光器實(shí)現(xiàn)光子的集成，必須滿足三個(gè)基本要求。首先，納米線應(yīng)該盡可能充分的小有效的實(shí)現(xiàn)光限制，保證一個(gè)超小的體積和能源消耗，Takiguchi說。其次，納米線激光器必須能夠產(chǎn)生高速信號(hào)。第三，激光波長(zhǎng)應(yīng)大于1.2微米，避免被硅基吸收，所以重要的是要?jiǎng)?chuàng)建子波長(zhǎng)的納米線激光器在光通信波段，即1.3和1.55微米，能夠進(jìn)行高速信號(hào)的調(diào)制。”

事實(shí)上，之前所研究的納米線激光器，其活動(dòng)都是在波長(zhǎng)小于0.9微米的，不能用于硅光子集成電路的脈沖激光，除示范比較厚的微米線激光器曾在1.55微米，Notomi說。這大概是因?yàn)椴牧显鲆孑^小，在較長(zhǎng)的波長(zhǎng)，這使得它很難在薄的納米線實(shí)現(xiàn)激射。

除此之外，“任何類型的納米線的高速調(diào)制的零演示已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，”他指出。這也是由于小增益體積。

“我們目前的工作中，我們通過結(jié)合納米線和硅光子晶體的解決這些問題，”Notomi說。“我們的研究結(jié)果是連續(xù)波激射振蕩的亞波長(zhǎng)納米線的首次實(shí)現(xiàn)，以及是納米線激光器實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)調(diào)制的首次實(shí)現(xiàn)”。

該研究小組能夠?qū)崿F(xiàn)10 Gbps的調(diào)制，這是與傳統(tǒng)的，直接調(diào)制的高速激光用于光通信相媲美。

“這證明了納米線激光器顯示出信息處理特別是光子集成電路的有用前景，”Notomi說。

該研究小組目前的工作最有前途的應(yīng)用是納米線為基礎(chǔ)的光子集成電路，他們將使用不同的納米線，以實(shí)現(xiàn)不同的功能，如激光，光電探測(cè)器和在硅光子集成電路中開關(guān)。

“預(yù)計(jì)配備片上的光子網(wǎng)絡(luò)處理器將在大約15年內(nèi)實(shí)現(xiàn)，基于光子集成的納米線將是一個(gè)可能的解決方案，”Notomi說。

在激光方面，該研究小組的下一個(gè)目標(biāo)是集成納米線到激光器輸入/輸出波導(dǎo)中。

“雖然這種整合是基于納米線的裝置的一個(gè)艱巨的任務(wù)，我們希望利用我們所研究的平臺(tái)這將是更容易的，因?yàn)樵诓▽?dǎo)連接的光子晶體平臺(tái)本質(zhì)上是優(yōu)越的，”Takiguchi說。“我們的目標(biāo)是室溫電流驅(qū)動(dòng)激射。”

該研究小組還計(jì)劃使用相同的技術(shù)來創(chuàng)建“除了激光器之外的光子器件，通過選擇不同的納米線的方式，”Takiguchi說。“我們要證明，我們能夠整合一些光子器件具有在同一個(gè)單一芯片上實(shí)現(xiàn)不同的功能。”