2024年11月13日
星期三
目前，硅波导已经实现了光子芯片上近红外光信号的大规模传输和处理，但现阶段的硅波导仅对单一频率的光信号进行处理，若能将波导的带宽扩展其他频率将进一步提高光子芯片的功能。通过集成其他架构的波导进行频率的多路复用是现阶段解决该问题的方法之一，但这需要根据目标波长进行相应的缩放，因此在单一架构内进行多波长处理的设计和集成变得非常困难。
为了解决这一问题，美国范德比尔特大学的研究人员设计了一种新型混合波导，该波导由两种不同的半导体混合而成，可以同时传输中红外（6.5~7 μm）和近红外（1.55 μm）的光波，即可同时处理通信及化学光谱的数据。
在之前的研究中，人们已经发现如何制造硅波导以传输红外频率的光波，但当利用相同的材料和设计对中红外的光波进行传输时，就需要扩大波导的尺寸，而扩大后的波导尺寸又会破坏原有的近红外传输。
在这种情况下，范德比尔特大学的工程学教授Joshua D. Caldwell等人将六方氮化硼（hBN）和硅作为异质结构以此完成混合波导的设计，他们首先将硅波导刻蚀到厚度为220 nm的硅基底上，然后将厚度为40 nm的hBN层转移到硅波导以完成混合波导的制备，如图所示，该混合结构中的氮化硼处于类似于石墨烯结构的最稳定状态，并以双曲线声子极化子的形式传输中红外波，而硅波导同之前设计一样，用以传输入射的近红外波。
图 硅-hBN异质结构混合光子波导示意图
Caldwell对此表示，该混合波导可以通过相同的外形尺寸实现两个不同波段信号的传输，具有许多潜在的用途，比如可以将其用于中红外波段的化学感测中，且在化学感测的同时还能通过近红外波段的通道互相传递信息。“此外，该混合波导结构还可以通过对中红外通道的调制来修改底层硅通道的局部环境，从而提供一种主动调制近红外信号的方法。”
在未来，Caldwell等人将尝试把这种混合异质结构集成到功能性硅光子结构中，例如环形谐振器和光子晶体等，以确认他们是否也能实现红外与中红外波段的复用。
新闻链接：美国研发成功新型混合波导技术，可同时处理通信及化学光谱的数据
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