光子集成電路的特性

硅光子學(xué)因其從量子計(jì)算到生物傳感的廣泛應(yīng)用而成為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)和廣泛研究的領(lǐng)域。光子結(jié)構(gòu)的測(cè)試和表征需要靈敏、精確和定量的成像和光譜解決方案，從可見(jiàn)光到紅外波長(zhǎng)(電信波長(zhǎng))。

光子集成電路是利用光執(zhí)行復(fù)雜光學(xué)功能和過(guò)程的芯片級(jí)器件。隨著光學(xué)小型化和設(shè)備變得更加復(fù)雜，遵循更多模塊化設(shè)計(jì)方法來(lái)組合具有不同光學(xué)功能和研究的元件是可行的。隨著設(shè)備變得越來(lái)越復(fù)雜，具有模塊化特征的設(shè)計(jì)方法是有利的。此類器件還必須采用將硅波導(dǎo)與等離子體金屬元件相結(jié)合的設(shè)計(jì)策略，這些元件用于在 PIC 平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)光學(xué)功能，并具有高耦合效率。

澳大利亞悉尼大學(xué) Martijn de Sterke 教授周圍的研究人員在最近的一篇文章中寫道，所謂的“混合等離子體波導(dǎo)，在金屬和高折射率波導(dǎo)之間包含一個(gè)低折射率緩沖層”，為“光子和等離子體波導(dǎo)之間的耦合。” de Sterke 教授周圍的研究人員與來(lái)自耶拿和不倫瑞克(德國(guó))的合作者一起報(bào)告了他們使用“多個(gè)模塊化功能元件”構(gòu)建這些混合結(jié)構(gòu)的更復(fù)雜電路的努力。

研究人員創(chuàng)建了一種等離子體裝置，可將入射的 TE 偏振紅外光束的偏振旋轉(zhuǎn)為 TM 偏振光束，通過(guò)非線性二次諧波生成將其轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光輸出。該設(shè)備采用納米聚焦元件，這些元件是鋒利的金屬尖端，可將光限制在超小(納米尺寸的體積)內(nèi)，從而導(dǎo)致巨大的電場(chǎng)增強(qiáng)，從而產(chǎn)生更多的二次諧波光。

使用顯微成像和光譜學(xué)對(duì)加工后的納米結(jié)構(gòu)器件進(jìn)行評(píng)估。該顯微鏡與帶有 2 個(gè)攝像頭的光譜儀相連，用于檢測(cè)。由于這些器件的設(shè)計(jì)輸入波長(zhǎng)為 1320 nm，SHG 輸出為 660 nm，因此該裝置使用 Teledyne Princeton Instruments NIRvana 相機(jī)進(jìn)行短波紅外光檢測(cè)，使用PIXIS CCD 相機(jī)進(jìn)行可見(jiàn)光檢測(cè)和光譜分析。該裝置執(zhí)行多種測(cè)量功能：

? 成像監(jiān)測(cè)設(shè)備上納米結(jié)構(gòu)的光散射，通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)尺寸確認(rèn)偏振旋轉(zhuǎn)和二次諧波生成的效率。

? 光譜學(xué)表征光譜響應(yīng)，例如輸入光和輸出光譜的比較可確認(rèn)可見(jiàn)光的SHG 性質(zhì)。

? 定量測(cè)量SHG 光以獲得所達(dá)到的光譜轉(zhuǎn)換效率。

該文章展示了如何實(shí)現(xiàn)納米聚焦，因?yàn)檩^小的金屬尖端的倍頻急劇增加，并討論了如何進(jìn)一步提高設(shè)備效率。根據(jù)這項(xiàng)研究，模塊化設(shè)計(jì)方法可以實(shí)際應(yīng)用于更復(fù)雜的器件，并且與使用 Cu 和 Al 作為金屬的 CMOS 處理技術(shù)兼容，而不會(huì)降低器件質(zhì)量。潛在的應(yīng)用包括“片上量子光子學(xué)和光譜學(xué)、非線性和原子級(jí)傳感以及納米級(jí)太赫茲源和探測(cè)器”。

審核編輯 黃宇