光波导可传输两种类型的光

范德比尔特大学（Vanderbilt University）的工程师们开发出了一种同时在一个芯片上传输两种类型的光信号的方法。这项工作可以使硅芯片在任何时期内传输的数据量明显增加，直接支持"芯片实验室"功能。范德比尔特大学机械工程系副教授Joshua Caldwell告诉Photonics Media，工程师设计波导通常在单一频率的光条件下工作，通常为1550nm。光波导通道的数量受到芯片空间的限制，它决定了芯片能够处理的信号数量。

Caldwell说："频率多路复用是这样一个概念，你可以同时以两个不同的频率处理两个不同的信号。研究人员设计了一种混合、双曲型硅光子波导平台，可在同一芯片上同时传输红外光和近红外光，从而展示双频光学处理过程。范德比尔特大学Caldwell实验室的供图。

这个概念的问题在于，它需要一个不同宽度的第二波导才能在另一个频率上工作。就像将频道数量增加一倍一样，但是满足这一要求占用了更多的空间。为了适应日益增加的波导，可以通过线性缩放技术。但是这将迅速超过硅芯片在标准外形体上的可用空间量。 "通常很难将近红外光和中红外光结合在同一个器件中，"论文第一作者、范德比尔特大学机械工程博士生Mingze He说。

Caldwell和他的团队开发的方法增加了一条途径，在不占用更多空间的情况下使用另一个频率。Caldwell说："我们的方法是使用一层六角形氮化硼提供第二个“波导”。六角形氮化硼（hBN） 能够在非常薄的平板中传输从6200到7300nm的长波长光。Caldwell说，研究人员使用了一块237nm的平板，尽管这个尺寸不是最终极限。他说："在波导和周围空气之间氮化硼层下方折射系数的差异确保了氮化硼中的光将遵循硅中的相同路径。"混合双曲型硅光子波导利用了两种材料的光学特性。在中红外范围，hBN外层能够支持一种称为双曲声子极化的光学模式。这种模式是通过光耦合与晶体中的极性键产生的。这使得在长波中红外范围能够聚焦并且在深亚波长的结构和平板中传输。光线被压缩在自由空间的波长以下，在此例中为6200到7300nm，因此它们与近 红外中使用的相同硅光子平台兼容。生成这些模式需要衍射光栅、棱镜或非常小的物体散射光。

Caldwell说：“在这项研究中，我们使用了用于散射扫描近场光学显微镜中使用的原子力显微镜尖端。在真实的器件中，我们会使用某种类型的耦合器（如图形化光栅）来实现此目的。”Caldwell说，这项工作能够同时在光学处理中使用多个频率。但具体来说，它将允许氮化硼中红外通道用于化学传感等任务，硅波导中的信号用于在器件内传输这些信息。Caldwell说："这项工作会带来各种各样的应用，特别是提升所谓的芯片上实验室等技术。目前，该团队正在扩展新的工作，重点是使用这些材料进行无标签纳米级成像的概念和与光子晶体的集成。

这项研究发表在《Advanced Materials》(www.doi.org/10.1002/adma.202004305)上。