新加坡研究人員研究出微小尺寸硅納米粒子光子波導，為硅光子學的發展做出另一貢獻

新加坡科技研究局A*STA R資助的團隊已經證明了一種有效引導微小尺度光的新方法。該方法主要是排列硅納米粒子，有希望用於諸如基於光的集成電路、生物感測器和量子通信的應用。

研究背景

在小尺度上傳輸光對於許多應用是至關重要的，並且通常使用矩形硅波導-相當於電子電路中的導線的光學電路來執行。為了進一步縮小器件，曾探索金屬納米粒子作為替代品，雖然它們非常善於將光線限制在小尺度，但它們往往會泄漏大量的光線。

光導原理

納米顆粒彼此不直接接觸，光是通過磁場共振轉移到下一個粒子。這些粒子中的每一個都是共振散射體，也就是說，如果只用一個粒子，它會在所有方向上散射光線。但是，當我們將所有這些粒子排成一行時，它們可以作為單個波導工作而不會泄漏光線。

現在，Reuben Bakker、Arseniy Kuznetsov和他們在A * STAR數據存儲研究所的同事提出了一種更有效的方法，涉及一系列圓柱形硅納米粒子。使用光激發第一納米顆粒，然後近場掃描光學顯微鏡測量到達另一線的另一納米顆粒的光（參見下圖）。研究結果發現光強度的下降很低。

圖近場掃描光學顯微鏡（NSOM）測量表明，排成一行的圓柱形硅納米顆粒可以傳輸由於它們之間的磁場（H場）共振而具有低損耗的光。

成果意義

使用硅納米顆粒的一個重要優點是它們與半導體工業目前使用的製造工藝兼容。你可以使用相同的CMOS工藝來製作硅光子器件，只需更改掩模板和布局，添加其它組件，變動不大且不複雜。

Arseniy Kuznetsov說：「這是第一次實驗性演示，顯示耦合諧振器可以非常有效地引導強亞波長尺寸和長度為幾百微米的光，這是邁向硅光子學全新方法的第一步。」

儘管在執行測量之前已將系統及其行為建模為波導，但團隊仍然對其在實踐中的工作情況感到驚訝。Bakker說：「我們很驚訝它運作良好，我們稍微調整了一些幾何形狀，但是在經過幾次迭代之後讓它們表現得非常出人意料。」

下一步工作

研究人員正致力於開發基於該概念的各種片上光子器件。

參考文獻

Reuben M. Bakker et al. Resonant Light Guiding Along a Chain of Silicon Nanoparticles, Nano Letters (2017). DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00381

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