微機(jī)械工藝打造鍺微型齒輪，“漩渦光”實(shí)現(xiàn)大容量光通信

  ICCSZ訊 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(dòng)量(Orbital angular momentum, OAM)的“漩渦光”。這種新光源可大幅提高通過(guò)光學(xué)計(jì)算傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

  軌道角動(dòng)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(wú)線傳輸安全保密通信領(lǐng)域具有極大的研究?jī)r(jià)值。

  光通信通過(guò)改變發(fā)射的光子數(shù)或在兩個(gè)偏振態(tài)之間切換來(lái)攜帶信息。利用軌道角動(dòng)量或漩渦光，每個(gè)光扭轉(zhuǎn)可以表示不同的值或字母，能夠用更少的光來(lái)編碼更多的信息。因此，這種新型微齒輪可以用來(lái)提升光學(xué)芯片的計(jì)算和通信能力。

  據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，英國(guó)南安普頓大學(xué)(University of Southampton)、日本東京大學(xué)(University of Tokyo)、日本豐橋技術(shù)大學(xué)(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(dú)立的，可以通過(guò)在其結(jié)構(gòu)上沉積氧化膜來(lái)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(yīng)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(yùn)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(jì)算機(jī)芯片中集成250000個(gè)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(yīng)用。研究人員稱，雖然鍺也具有類似的局限特性，但通過(guò)施加拉伸應(yīng)變可以提高其發(fā)光效率。

英國(guó)南安普頓大學(xué)的Abdelrahman Al-Attili設(shè)計(jì)了這款新的微型齒輪，并開(kāi)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(duì)鍺材料施加的拉伸應(yīng)變，不足以高效地產(chǎn)生光，” 英國(guó)南安普頓大學(xué)研究人員Abdelrahman Al-Attili說(shuō)，“我們的新型微齒輪設(shè)計(jì)可以克服這一挑戰(zhàn)。”

  為了驗(yàn)證他們的新設(shè)計(jì)，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(xì)物理特征。然后，使用不會(huì)發(fā)射漩渦光的標(biāo)準(zhǔn)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(lái)形成扭轉(zhuǎn)的漩渦光。

  該團(tuán)隊(duì)使用計(jì)算機(jī)模擬測(cè)試并調(diào)整其設(shè)計(jì)，以模擬光在納秒甚至更短時(shí)間內(nèi)在微型齒輪中的傳播方式。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果和原型產(chǎn)品的光發(fā)射對(duì)比，研究人員確認(rèn)微型齒輪產(chǎn)生了漩渦光。

  “我們可以精確地設(shè)計(jì)器件，以控制每個(gè)漩渦光的旋轉(zhuǎn)次數(shù)和發(fā)射光的波長(zhǎng)，”Al-Attili說(shuō)。

  目前，研究人員正在努力進(jìn)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(gè)激光器集成到硅芯片上以傳輸信息。

  “我們的新型微型齒輪有潛力用于集成在硅襯底上的激光器，這是在計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建集成光學(xué)電路所需的最后一個(gè)關(guān)鍵組件，”Al-Attili說(shuō)。

  研究人員認(rèn)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(dòng)量的漩渦光，并且，這種鍺微齒輪有潛力作為新興應(yīng)用的CMOS兼容的軌道角動(dòng)量光源。

  “為制造電子器件而開(kāi)發(fā)的硅制造技術(shù)，現(xiàn)在也可以用于制造各種光學(xué)器件，”Al-Attili說(shuō)，“我們的微型齒輪只是這些制造技術(shù)在納米級(jí)、微米級(jí)器件領(lǐng)域的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例?！?