 光子集成器件的艺术效果图，在其中一个臂上，入射的波导基模（在波导截面上模场只有一瓣）转化为二阶模式（在波导截面上模场分为两瓣），而在另一臂上，入射的波导基模被转换成强表面波，可用于片上化学与生物传感。
由应用物理学助理教授Nanfang Yu领导的一个哥伦比亚大学工程学院的研究小组发明了一种用纳米天线来高效控制光在受限通路或波导中传播的方法。为了演示这个技术，他们制造了打破最小尺寸记录的光子集成器件，同时还能够在前所未有的宽波长范围内保持最佳的性能。
光子集成电路（PIC）的基础是光波导中传播的光，而控制这样的光传播是制造这些用光子而不是电子来传输数据的芯片的一个核心问题。Yu的这个方法有可能带来更快，更强大，效率更高的光学芯片，这反过来又可能回改变光通信和光信号处理。这项研究在线发表在了4月17日的《自然*纳米技术》杂志上。
“我们制造了具有最小尺寸和最大工作带宽的集成光子器件，”Yu说。“我们现在在纳米天线的帮助下缩小光子集成器件的尺寸所能达到的程度，与20世纪50年代大真空管被更小的半导体晶体管所取代时发生的情况类似。这项工作为一个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来控制波导中的光传播？
沿波导传播的光波的光功率被限制在波导的核心：研究人员只能通过波导表面附近很小的倏逝波“尾巴”来访问被传导的光波。这些难以捉摸的导波特别难以操纵，因此光子集成器件往往体积比较大，占用空间，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，从而使其具有类似于电子学遵循摩尔定律——电子集成电路中晶体管的数量每两年增加一倍——的历史进程，成了研究人员试图克服的一个主要挑战。
Yu的团队发现，控制光波最有效的方法是用光学纳米天线“装饰”波导：这些微型天线从波导芯部提取光线，修改光的特性，再将光线释放回波导中。密集封装的纳米天线阵列的累积效应是如此强大，以致于它们可以在不超过两倍波长的传播距离内实现如波导模式转换等功能。
“相对于传统的方法认为需要长度为几十倍波长的器件来实现波导模式转换来说，这是一个突破”Yu说。
“我们已经能够将器件的尺寸减小10倍到100倍。”
Yu的团队创造了能够将一种特定波导模式转换为另一种波导模式的转换器；这是名为‘模分复用（MDM）’的技术的关键”。光波导可以支持一个基模和一组高阶模，就像吉他的一根弦支持一个基本音和其泛音一样。MDM是一种大幅增加光学芯片信息处理能力的方案：我们可以使用相同颜色的光，但是用几个不同的波导模式来通过相同的波导来同时传输几个独立的信道。“这种效果就像，例如，乔治·华盛顿桥神奇地拥有了处理多几倍的交通量的能力，”Yu解释说。“我们的波导模式转换器可以使我们能够制造出具有更高容量的信息通路。”
他计划下一步将可调的有源光学材料集成到光子集成器件中，从而使光在波导中传播的主动控制成为可能。这种有源器件将会是增强现实（AR）眼镜的基本构成单元，增强现实眼镜是一种先确定佩戴者的眼像差，然后将像差校正图像投射入眼睛的护目镜——这是他和他的哥伦比亚大学工程学院的同事，Michal Lipson教授，Alex Gaeta，Demetri Basov，Jim Hone，以及Harish Krishnaswamy正在研究的课题。Yu也在探索将波导中传播的波转换成强表面波，这可能最终被用于芯片上化学和生物传感。
原文链接：https://www./releases/2017/04/170417114757.htm
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