新型光學微型齒輪晶元：可發出傳輸數據的「扭曲」光

Ge微型齒輪。(a)微型齒輪結構的俯視圖示意圖，該示意圖顯示了齒輪的設計參數，即內部半徑(Rin)、外部半徑(Rout)和周期數(m)。(b)干法蝕刻後的Ge微型齒輪光學顯微鏡(OM)圖像。在齒輪區域可以看到可見光模式。(c)聚焦離子束(FIB)圖像顯示了Ge微型齒輪的鳥瞰圖，微型齒輪由埋地(底部)SiO2和等離子體增強化學汽相沉積(PECVD)SiO2(頂部)封裝在硅柱上。(d) Ge微齒輪掃描電鏡(SEM)側視圖。由於TMAH刻蝕的各向異性，硅柱呈明顯的金字塔狀。晶圓片的結晶方向標註在右下角。來源：光學快報(2018). DOI：10.1364 / OE.26.034675

研究人員首次使用由鍺製成的微小齒輪來產生扭曲的光漩渦，使光繞著其傳播方向軸旋轉，就像螺旋形一樣。由於鍺與用於製造計算機晶元的硅兼容，所以這種新的光源可以用來增加基於晶元的光學計算和通信傳輸的數據量。

來自英國南安普敦大學、日本東京大學(University of Tokyo)、東橋工業大學(Toyohashi University of Technology)和日立公司(Hitachi Ltd.)的研究人員在美國光學學會的《光學快報》(Optics Express)雜誌上描述了這種新型發光齒輪。這種微型齒輪半徑只有1微米或更小，1平方毫米的計算機晶元內可以壓縮25萬個這樣的微型齒輪。

由於其在通信和計算方面的優勢，人們對產生扭曲、或具有光束軌道角動量的光非常感興趣。現在，人們通過改變發射光子的數量，或者使光在兩種偏振態之間切換來利用光攜帶信息。但如果使用扭曲的光的話，光的每個扭曲都可以表示不同的值或字母，這樣我們就可以用更少的光來攜帶更多的信息。

南安普敦大學的Abdelrahman Al-Attili是這篇論文的第一作者，他說：「我們的新型微齒輪具有在硅基板上集成激光器的潛力，硅基板是在計算機上創建集成光學電路所需的最後一個組件。這些微小的光學電路可以使用扭曲光來傳輸大量的數據。」

利用材料張力來改善發光

硅是製造計算機晶元和相關元件的常用材料，但要在硅上製造出一種可用的微型化光源在此前是不可能的，因為硅這種材料的特性導致了發光效率低下。雖然鍺也有類似的局限性，但通過對鍺拉伸施加張力可以提高其發光效率。

Al-Attili說：「以前，可以對鍺施加的張力不夠大，不能在不降解材料的情況下有效地發光，但我們新的微型齒輪設計有助於克服這個挑戰。」

微型齒輪新設計的特點是齒輪的邊緣是獨立的，因此它們可以被沉積在結構上的氧化膜拉伸，這樣就可以在不破壞鍺晶體結構的情況下對鍺施加拉伸張力。微型齒輪安裝在硅基座上，硅基座再將齒輪連接到硅基板的頂部，使其在工作過程中能夠散熱。

為了展示他們的新設計，研究人員使用電子束光刻技術製造出了構成齒輪齒的非常精細的物理尺寸。然後他們用標準的綠色激光照射齒輪(這種激光不會發出扭曲的光)。微型齒輪在吸收了綠光後，它會產生自己的光子，這些光子會在齒輪邊緣循環，形成扭曲的光，隨後由周期性的齒輪向外垂直反射。

精密光學模擬

研究人員通過計算機模擬來測試和調整他們的設計，計算機模擬在納秒甚至更短的時間內，光在齒輪中的傳播方式。通過將原型機的發射光與計算機的模擬結果進行比較，他們能夠確認齒輪確實產生了扭曲光。

「我們可以精確地設計我們的設備來控制每個傳播波長的旋轉次數和發光的波長，」Al-Attili說。

研究人員現在正致力於進一步提高鍺微型齒輪的發光效率。如果成功的話，這項技術將有可能將數千束激光集成在一塊小小的硅晶元上以傳輸信息。

他說：「過去用於製造電子設備的硅製造技術現在可以應用於製造各種光學設備。我們的微型齒輪僅僅只是這些功能可以如何被用來製造納米和微尺度設備的一個例子。」

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