器件尺寸缩小100倍，哥大教授发明波导光传播新技术

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由哥伦比亚大学应用物理学助理教授余楠方（Nanfang Yu）领衔的一支研究团队日前发明了一种方法，通过纳米天线来高效地控制在狭窄路径或在波导中传播的光。

（映维网 2017年4月18日）由哥伦比亚大学应用物理学助理教授余楠方（Nanfang Yu）领衔的一支研究团队日前发明了一种方法，通过纳米天线来高效地控制在狭窄路径或在波导中传播的光。为了演示该技术，研究团队开发了光子集成器件，其尺寸非常细小，而且还够在宽广的波长范围内保持最佳性能。

光子集成电路（IC）基于在光波导中传播的光，而控制这种光传播是构建这些芯片的关键因素，因为其是通过光来传输数据，而非电子。余楠方的方法可以实现更快、更强大和更高效的光学芯片，从而能够转换光通信和光信号处理。该研究已于4月17日发表在《自然纳米技术》期刊上。

余楠方说：“我们构建了最小体积和最大工作带宽的集成纳米光子器件。我们现在可以在纳米天线的帮助下减小光子集成器件的尺寸，其程度与20世纪50年代大型真空管被更小的半导体晶体管所替代的情况类似。这项研究为基本的科学问题提供了一个革命性的解决方案：如何以最有效的方式控制在波导中传播的光呢？”

沿波导传播的光波的光焦度被限制在波导芯内：研究人员只能通过位于波导表面附近转瞬即逝的“尾巴”来访问导波。这些微妙的导波特别难以操纵，因此光子集成器件的尺寸往往较大，需要占用大量的空间，从而限制了芯片的器件集成密度。缩小光子集成器件的尺寸是研究人员面临的主要挑战。这也反映了摩尔定律，亦即电子芯片中的晶体管数量大约每两年翻一番。

余楠方的团队希望寻找最有效的方式来控制波导中的光，于是他们通过纳米天线来“装饰”波导：这些微型天线会从波导芯内导出光，修改光的性质，然后将光导回波导中。密集堆叠的纳米天线阵列的累积效应十分强大，可以实现各种不同的功能，比如在不超过两倍波长的传播距离内​​进行波导模式转换。

余楠方说：“考虑到传统的方法需要长度比波长超出数百倍的器件，所以我们的方式是一个突破。我们能够将器件的尺寸减小10到100倍。”

余楠方的团队开发了一种波导模式转换器，可以极爱凝固特定的波导模式转换为另一种波导模式。这是实现模分复用（Mode division multiplexing）技术的关键。光波导可以支持基本波导模式和一组高阶模式，就如同吉他弦可以支持一个基本音调及其和弦一样。模分复用技术可以大幅度增加光学芯片的信息处理能力：通过相同的波导同时传输几个独立的信道。余楠方解释说：“这种效果就像是，比如，乔治华盛顿大桥可以神奇地处理多几倍的交通流量。我们的波导模式转换器可以创建容量更大的信息通路。”

他计划下一步将主动可调谐光学材料纳入光子集成器件，从而实现对在波导中传播的光的主动控制。这样的主动器件将成为增强现实眼镜的基本构件，而余楠方目前正与同事Michal Lipson、Alex Gaeta、Demetri Basov、Jim Hone和Harish Krishnaswamy进行研究。