微機械工藝打造鍺微型齒輪，“漩渦光”實現(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計可以克服這一挑戰(zhàn)?！?

  為了驗證他們的新設計，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。

  “我們可以精確地設計器件，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。

  “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、微米級器件領域的一個應用實例?！?