光子芯片的發(fā)明，使得硅波導攜帶數(shù)據(jù)的能力逐漸提高。相應地，科學家們希望能夠提高其中所傳輸光信號的帶寬。然而對芯片級設備的制造來說，在同一波導內(nèi)多路復用近紅外和中紅外信號，是一個難以解決的問題。

如今，美國范德堡大學的研究人員展示了一種新型的混合型波導，可同時傳輸中紅外（波長6.5 μm~7.0 μm）和近紅外（波長1.55 μm）光波。研究發(fā)表于Advanced Materials期刊，論文鏈接為：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202004305。這種波導由兩種不同的半導體制成，有望成為未來集成光子結構的關鍵部件，可處理遠程通信和化學光譜等數(shù)據(jù)。

圖1 研究人員設計了一種混合型硅基光子波導，可在同一塊芯片上同時傳輸中紅外和近紅外光

硅和氮化硼的堆疊

該混合波導由美國范德堡大學制成，由六方氮化硼（hBN）異質結構和硅組成。范德堡大學的工程學教授Joshua D. Caldwell表示，異質結構就是“兩種不同材料堆疊在一起形成的結構”，在他們所研發(fā)的混合波導中，這兩種材料分別是硅和氮化硼；其中氮化硼以一種類似于石墨的六方晶格的最穩(wěn)定形式存在。

目前科學家們已經(jīng)能夠在硅波導中傳輸近紅外頻率，但若想在其中傳輸中紅外波，波導尺寸必須更大。而問題在于，當波導尺寸大到足以接收中紅外信號時，近紅外的傳輸又會被擾亂。

hBN材料以雙曲聲子極化激元的形式傳輸中紅外波。美國范德堡大學的研究人員首先數(shù)學建模，然后通過實驗制造了混合型波導：先將波導蝕刻到220 nm厚的硅片上，然后在上面轉移了40 nm厚的hBN層。研究團隊借助掃描近場光學顯微鏡分析了通過異質結構的信號模式。

未來的可能性

Caldwell說，這種異質結構有很多潛在的用途，并解釋道：“一方面，可以使用中紅外信道進行化學傳感，‘通知’近紅外信道探測事件的發(fā)生，并將信號發(fā)送到信號的讀出端。此外，對中紅外信道進行調(diào)制，可以改變底層硅通道的局部環(huán)境，從而提供了一種主動調(diào)制近紅外信號的手段。最后，這種波導也能夠簡單用于傳輸相同形式的兩種不同信息中。”

Caldwell說，接下來他和他的同事們將著重研究如何將這些雜化異質結構整合到功能硅光子結構中，如環(huán)形諧振器和光子晶體，探索能否在這些結構中實現(xiàn)近紅外和中紅外復用。

另還有其他三家美國機構的研究人員參與了此項研究，分別來自愛荷華大學、哥倫比亞大學和堪薩斯州立大學。