利用鍺制成的微型齒輪產(chǎn)生的漩渦光實現(xiàn)大容量光通信

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，利用鍺（Ge）制成的微型齒輪已證明能夠產(chǎn)生具有軌道角動量（Orbital angular momentum, OAM）的“漩渦光”。

這種新光源可大幅提高通過光學計算傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。軌道角動量特征作為電磁波的矢量特征具有很廣闊的發(fā)展前景，不但可以用于提高頻譜利用率，增大傳輸速率，還以其良好的方向性在無線傳輸安全保密通信領(lǐng)域具有極大的研究價值。光通信通過改變發(fā)射的光子數(shù)或在兩個偏振態(tài)之間切換來攜帶信息。利用軌道角動量或漩渦光，每個光扭轉(zhuǎn)可以表示不同的值或字母，能夠用更少的光來編碼更多的信息。

因此，這種新型微齒輪可以用來提升光學芯片的計算和通信能力。據(jù)麥姆斯咨詢報道，英國南安普頓大學（University of Southampton）、日本東京大學（University of Tokyo）、日本豐橋技術(shù)大學（Toyohashi University of Technology）和日立（Hitachi）公司的研究人員，利用具有高質(zhì)量鍺晶體層的Ge-on-SOI晶圓，在硅柱上構(gòu)建了一種微型齒輪。其微型齒輪在邊緣處是獨立的，可以通過在其結(jié)構(gòu)上沉積氧化膜來拉伸。該特性可以在不破壞鍺晶體結(jié)構(gòu)的前提下施加拉伸應變。微型齒輪支撐在硅柱上，硅柱將它們連接到硅襯底的頂部，使熱量可以在運行期間消散。這種微齒輪的半徑不到1um，可在1平方毫米的計算機芯片中集成250000個這樣的微齒輪。

鍺微型齒輪

硅柱上鍺微齒輪的制造工藝

目前，硅作為發(fā)光材料的低效率，限制了硅上微型光源的應用。研究人員稱，雖然鍺也具有類似的局限特性，但通過施加拉伸應變可以提高其發(fā)光效率。

英國南安普頓大學的Abdelrahman Al-Attili設(shè)計了這款新的微型齒輪，并開發(fā)了用鍺制造微型齒輪的方法

“之前，在不破壞材料的前提下，對鍺材料施加的拉伸應變，不足以高效地產(chǎn)生光，” 英國南安普頓大學研究人員Abdelrahman Al-Attili說，“我們的新型微齒輪設(shè)計可以克服這一挑戰(zhàn)?！睘榱蓑炞C他們的新設(shè)計，研究人員利用電子束光刻技術(shù)制造形成了微型齒狀結(jié)構(gòu)的精細物理特征。然后，使用不會發(fā)射漩渦光的標準綠激光照射微型齒輪。微齒輪吸收綠激光后，自身產(chǎn)生光子，這些光子圍繞在齒輪的邊緣循環(huán)，由微齒輪的齒垂直反射出來形成扭轉(zhuǎn)的漩渦光。

該團隊使用計算機模擬測試并調(diào)整其設(shè)計，以模擬光在納秒甚至更短時間內(nèi)在微型齒輪中的傳播方式。通過計算機模擬結(jié)果和原型產(chǎn)品的光發(fā)射對比，研究人員確認微型齒輪產(chǎn)生了漩渦光?！拔覀兛梢跃_地設(shè)計器件，以控制每個漩渦光的旋轉(zhuǎn)次數(shù)和發(fā)射光的波長，”Al-Attili說。目前，研究人員正在努力進一步提高鍺微齒輪的光發(fā)射效率。如果成功，該技術(shù)可以將數(shù)千個激光器集成到硅芯片上以傳輸信息?！拔覀兊男滦臀⑿妄X輪有潛力用于集成在硅襯底上的激光器，這是在計算機上創(chuàng)建集成光學電路所需的最后一個關(guān)鍵組件，”Al-Attili說。研究人員認為，他們的微型齒輪首次展示了在鍺光源內(nèi)生成軌道角動量的漩渦光，并且，這種鍺微齒輪有潛力作為新興應用的CMOS兼容的軌道角動量光源。“為制造電子器件而開發(fā)的硅制造技術(shù)，現(xiàn)在也可以用于制造各種光學器件，”Al-Attili說，“我們的微型齒輪只是這些制造技術(shù)在納米級、微米級器件領(lǐng)域的一個應用實例。”