实验室通过光子晶体和纳米线组合实现光子集成新突破

 LinkedIn与电子一体化的巨大成功故事相反，光子集成技术还处于起步阶段。它面临的最严重的障碍之一是需要使用不同的材料来实现不同的功能，不像电子集成。更复杂的是，许多光子集成所需的材料与硅集成技术不兼容。

到目前为止，在光子电路中放置各种功能纳米线，以达到所需的功能已经表明，虽然完全有可能，纳米线往往太小，很难可有效地限制光。虽然较大的纳米线可以提高光的限制和性能，但它增加了能源消耗和设备的体积，两者对于设计集成器件时都被认为是“致命的”。

针对这一问题，日本NTT公司的一组研究人员提出了一种方法，该方法包括将亚波长纳米线与光子晶体平台相结合，他们本周在《应用物理学报》杂志上进行了相关报道。

折射率具有周期性调制的光子晶体人工结构是其工作的核心。

“一个较小部位的折射率调制的光子晶体产生的强烈的光限制，形成超高质量光学纳米谐振器，”Masaya Notomi说，他是NTT基础研究实验室的一位杰出的科学家。“我们在我们进行的这项工作中充分利用了这一特点。”

早在2014年，这同一研究小组的研究就曾表明，利用放置在硅光子晶体中的直径为100纳米的纳米线，可以很强烈地限制一个亚波长的光。当时，“这是约束机制的初步论证，但我们目前的工作，我们已经成功地证明了亚波长纳米线器件在硅平台的操作，也是通过使用这种方法，”Notomi说。

换句话说：当一个亚波长纳米线不能成为一个具有强烈限制光本身的谐振器时，放置在光子晶体中时，它会导致产生光限制所需的折射率调制条件。

“在我们的工作中，我们精心准备了III-V族半导体纳米线具有足够大的光学增益并将它们放在一个具有槽结构的硅光子晶体，应用纳米探针技术实现了一个光学的纳米谐振器，”Masato Takiguchi说，他是该论文的主要作者，并和其它研究者工作在NTT基础研究实验室共同进行这项研究。“通过一系列仔细的刻画，我们已经证明，这种亚波长纳米线可以实现连续波激射振荡和在10 Gbps的高速信号的调制。”

使用纳米线激光器实现光子的集成，必须满足三个基本要求。首先，纳米线应该尽可能充分的小有效的实现光限制，保证一个超小的体积和能源消耗，Takiguchi说。其次，纳米线激光器必须能够产生高速信号。第三，激光波长应大于1.2微米，避免被硅基吸收，所以重要的是要创建子波长的纳米线激光器在光通信波段，即1.3和1.55微米，能够进行高速信号的调制。”

事实上，之前所研究的纳米线激光器，其活动都是在波长小于0.9微米的，不能用于硅光子集成电路的脉冲激光，除示范比较厚的微米线激光器曾在1.55微米，Notomi说。这大概是因为材料增益较小，在较长的波长，这使得它很难在薄的纳米线实现激射。

除此之外，“任何类型的纳米线的高速调制的零演示已经实现，”他指出。这也是由于小增益体积。

“我们目前的工作中，我们通过结合纳米线和硅光子晶体的解决这些问题，”Notomi说。“我们的研究结果是连续波激射振荡的亚波长纳米线的首次实现，以及是纳米线激光器实现高速信号调制的首次实现”。

该研究小组能够实现10 Gbps的调制，这是与传统的，直接调制的高速激光用于光通信相媲美。

“这证明了纳米线激光器显示出信息处理特别是光子集成电路的有用前景，”Notomi说。

该研究小组目前的工作最有前途的应用是纳米线为基础的光子集成电路，他们将使用不同的纳米线，以实现不同的功能，如激光，光电探测器和在硅光子集成电路中开关。

“预计配备片上的光子网络处理器将在大约15年内实现，基于光子集成的纳米线将是一个可能的解决方案，”Notomi说。

在激光方面，该研究小组的下一个目标是集成纳米线到激光器输入/输出波导中。

“虽然这种整合是基于纳米线的装置的一个艰巨的任务，我们希望利用我们所研究的平台这将是更容易的，因为在波导连接的光子晶体平台本质上是优越的，”Takiguchi说。“我们的目标是室温电流驱动激射。”

该研究小组还计划使用相同的技术来创建“除了激光器之外的光子器件，通过选择不同的纳米线的方式，”Takiguchi说。“我们要证明，我们能够整合一些光子器件具有在同一个单一芯片上实现不同的功能。”