光子芯片的發(fā)明，使得硅波導(dǎo)攜帶數(shù)據(jù)的能力逐漸提高。相應(yīng)地，科學(xué)家們希望能夠提高其中所傳輸光信號(hào)的帶寬。然而對(duì)芯片級(jí)設(shè)備的制造來說，在同一波導(dǎo)內(nèi)多路復(fù)用近紅外和中紅外信號(hào)，是一個(gè)難以解決的問題。

如今，美國范德堡大學(xué)的研究人員展示了一種新型的混合型波導(dǎo)，可同時(shí)傳輸中紅外（波長6.5 μm~7.0 μm）和近紅外（波長1.55 μm）光波。研究發(fā)表于Advanced Materials期刊，論文鏈接為：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202004305。這種波導(dǎo)由兩種不同的半導(dǎo)體制成，有望成為未來集成光子結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，可處理遠(yuǎn)程通信和化學(xué)光譜等數(shù)據(jù)。

圖1 研究人員設(shè)計(jì)了一種混合型硅基光子波導(dǎo)，可在同一塊芯片上同時(shí)傳輸中紅外和近紅外光

硅和氮化硼的堆疊

該混合波導(dǎo)由美國范德堡大學(xué)制成，由六方氮化硼（hBN）異質(zhì)結(jié)構(gòu)和硅組成。范德堡大學(xué)的工程學(xué)教授Joshua D. Caldwell表示，異質(zhì)結(jié)構(gòu)就是“兩種不同材料堆疊在一起形成的結(jié)構(gòu)”，在他們所研發(fā)的混合波導(dǎo)中，這兩種材料分別是硅和氮化硼；其中氮化硼以一種類似于石墨的六方晶格的最穩(wěn)定形式存在。

目前科學(xué)家們已經(jīng)能夠在硅波導(dǎo)中傳輸近紅外頻率，但若想在其中傳輸中紅外波，波導(dǎo)尺寸必須更大。而問題在于，當(dāng)波導(dǎo)尺寸大到足以接收中紅外信號(hào)時(shí)，近紅外的傳輸又會(huì)被擾亂。

hBN材料以雙曲聲子極化激元的形式傳輸中紅外波。美國范德堡大學(xué)的研究人員首先數(shù)學(xué)建模，然后通過實(shí)驗(yàn)制造了混合型波導(dǎo)：先將波導(dǎo)蝕刻到220 nm厚的硅片上，然后在上面轉(zhuǎn)移了40 nm厚的hBN層。研究團(tuán)隊(duì)借助掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡分析了通過異質(zhì)結(jié)構(gòu)的信號(hào)模式。

未來的可能性

Caldwell說，這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)有很多潛在的用途，并解釋道：“一方面，可以使用中紅外信道進(jìn)行化學(xué)傳感，‘通知’近紅外信道探測(cè)事件的發(fā)生，并將信號(hào)發(fā)送到信號(hào)的讀出端。此外，對(duì)中紅外信道進(jìn)行調(diào)制，可以改變底層硅通道的局部環(huán)境，從而提供了一種主動(dòng)調(diào)制近紅外信號(hào)的手段。最后，這種波導(dǎo)也能夠簡(jiǎn)單用于傳輸相同形式的兩種不同信息中。”

Caldwell說，接下來他和他的同事們將著重研究如何將這些雜化異質(zhì)結(jié)構(gòu)整合到功能硅光子結(jié)構(gòu)中，如環(huán)形諧振器和光子晶體，探索能否在這些結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)近紅外和中紅外復(fù)用。

另還有其他三家美國機(jī)構(gòu)的研究人員參與了此項(xiàng)研究，分別來自愛荷華大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)和堪薩斯州立大學(xué)。