編譯：大路

由美國範德堡大學工程師領導的團隊已經實現了在「單個矽晶片上同時傳輸兩種不同型別的光訊號」的能力。

這預示著一個矽晶片在任何時間段內可以傳輸的資料量會大幅增加。透過這個專案，該研究團隊突破了以往的理論模型，展示了雙波段光學處理，這一突破極大地擴充套件了矽作為「光電子平臺」（photonics platform）的功能。

機械工程副教授約書亞 - 考德威爾（Joshua Caldwell）和電子工程教授莎倫 - 韋斯（Sharon Weiss）領導了這個團隊，該團隊成員還包括來自哥倫比亞大學、愛荷華大學和堪薩斯州立大學的研究人員。

他們的研究「Guided Mid-IR and Near-IR Light within a Hybrid Hyperbolic-Material/Silicon Waveguide Heterostructure」於 2 月 1 日發表在 Advanced Materials 上。該雜誌在 3 月 16 日印刷版的封面內頁也將對其進行專題報道。

這項工作是矽光子學的重要進展，不同於普通矽晶片，光子晶片使用光而不是電訊號來傳輸資料。當前，對更快和擴充套件處理的需求已經完全超出了物理限制——在越來越小的晶片上不可能新增更多的電線。此外，電訊號還需要大量的電力，產生大量的熱量，並有丟失資料的風險。而使用圖案化的矽來傳輸光訊號，則使用了較少的能量，晶片的發熱問題也得到相當的改良。

矽波導示意圖

不過，用同樣的晶片，卻做更多的事情還是很有挑戰性的。矽波導（Silicon waveguides）提供了光子晶片的「主要構件」，它可以將光限制住，並將其「路由」（route）到功能光學元件進行訊號處理。不同形式的光需要不同的波導，而為了容納更多的波導去進行線性縮放，則會佔據標準尺寸矽晶片的可用空間。

「一直以來，在同一個器件中結合近紅外和中紅外傳輸是很困難的，」範德堡大學機械工程博士生、論文第一作者 Mingze He 說。

而該論文提出的兩項創新（一種新的方法和裝置幾何學）實現了在同一結構中引導不同頻率的光。頻率複用其實並不新鮮，但這種在相同的可用空間內擴大頻寬的能力確實是個極大的進步。

混合型雙曲矽光子波導平臺，可在同一晶片上同時傳輸中紅外和近紅外光

利用六方氮化硼的紅外特性，研究人員設計了一種混合型雙曲 - 矽光子波導平臺。在中紅外，hBN 晶體的結構可以支援一種新型的光模式，即雙曲聲子偏振子（hyperbolic phonon polariton）。這些雙曲偏振子被證明可以在奈米級厚度的板塊內引導長的、中紅外波長的光，而光模式遵循底層矽波導的路徑。

這種方法不需要額外製造 hBN，在不擴大器件尺寸的情況下，可以同時支援訊號處理和化學感測方式。

「中紅外的加入為訊號處理與化學感測的結合，或單獨使用近紅外訊號無法實現的調製方案提供了新的機會，」考德威爾教授評價道。

原文連結：https://phys.org/news/2021-03-photonics-discovery-portends-efficiencies-silicon.html