利用锗制成的微型齿轮产生的漩涡光实现大容量光通信

据麦姆斯咨询介绍，利用锗（Ge）制成的微型齿轮已证明能够产生具有轨道角动量（Orbital angular momentum, OAM）的“漩涡光”。

这种新光源可大幅提高通过光学计算传输的数据量。轨道角动量特征作为电磁波的矢量特征具有很广阔的发展前景，不但可以用于提高频谱利用率，增大传输速率，还以其良好的方向性在无线传输安全保密通信领域具有极大的研究价值。光通信通过改变发射的光子数或在两个偏振态之间切换来携带信息。利用轨道角动量或漩涡光，每个光扭转可以表示不同的值或字母，能够用更少的光来编码更多的信息。

因此，这种新型微齿轮可以用来提升光学芯片的计算和通信能力。据麦姆斯咨询报道，英国南安普顿大学（University of Southampton）、日本东京大学（University of Tokyo）、日本丰桥技术大学（Toyohashi University of Technology）和日立（Hitachi）公司的研究人员，利用具有高质量锗晶体层的Ge-on-SOI晶圆，在硅柱上构建了一种微型齿轮。其微型齿轮在边缘处是独立的，可以通过在其结构上沉积氧化膜来拉伸。该特性可以在不破坏锗晶体结构的前提下施加拉伸应变。微型齿轮支撑在硅柱上，硅柱将它们连接到硅衬底的顶部，使热量可以在运行期间消散。这种微齿轮的半径不到1um，可在1平方毫米的计算机芯片中集成250000个这样的微齿轮。

锗微型齿轮

硅柱上锗微齿轮的制造工艺

目前，硅作为发光材料的低效率，限制了硅上微型光源的应用。研究人员称，虽然锗也具有类似的局限特性，但通过施加拉伸应变可以提高其发光效率。

英国南安普顿大学的Abdelrahman Al-Attili设计了这款新的微型齿轮，并开发了用锗制造微型齿轮的方法

“之前，在不破坏材料的前提下，对锗材料施加的拉伸应变，不足以高效地产生光，” 英国南安普顿大学研究人员Abdelrahman Al-Attili说，“我们的新型微齿轮设计可以克服这一挑战。”为了验证他们的新设计，研究人员利用电子束光刻技术制造形成了微型齿状结构的精细物理特征。然后，使用不会发射漩涡光的标准绿激光照射微型齿轮。微齿轮吸收绿激光后，自身产生光子，这些光子围绕在齿轮的边缘循环，由微齿轮的齿垂直反射出来形成扭转的漩涡光。

该团队使用计算机模拟测试并调整其设计，以模拟光在纳秒甚至更短时间内在微型齿轮中的传播方式。通过计算机模拟结果和原型产品的光发射对比，研究人员确认微型齿轮产生了漩涡光。“我们可以精确地设计器件，以控制每个漩涡光的旋转次数和发射光的波长，”Al-Attili说。目前，研究人员正在努力进一步提高锗微齿轮的光发射效率。如果成功，该技术可以将数千个激光器集成到硅芯片上以传输信息。“我们的新型微型齿轮有潜力用于集成在硅衬底上的激光器，这是在计算机上创建集成光学电路所需的最后一个关键组件，”Al-Attili说。研究人员认为，他们的微型齿轮首次展示了在锗光源内生成轨道角动量的漩涡光，并且，这种锗微齿轮有潜力作为新兴应用的CMOS兼容的轨道角动量光源。“为制造电子器件而开发的硅制造技术，现在也可以用于制造各种光学器件，”Al-Attili说，“我们的微型齿轮只是这些制造技术在纳米级、微米级器件领域的一个应用实例。”