硅光波导入技术：光量子集成ic的颠覆性突破

在40年前发布的第一台IBM个人计算机中，运行速度约为每秒500万个时钟周期，为477兆赫。2019年，IBM科研精英团队与来自学界的合作者一起生产了世界上第一个能够在室内温度下运转的极快全光晶体三极管。

在过去的几十年里，人们的电子计算机运行速度一直在持续增长。在40年前发布的第一台IBM个人计算机中，运行速度约为每秒500万个时钟周期，为4.77兆赫。今天，每个人的个人计算机中央处理器的运行速度大约是当时的1000倍。

然而，在过去的15年里，单个CPU的关键时钟频率一直停留在数千MHz。在集成电路上排列大量晶体管等传统规划方案将不再有利于改善这种束缚。

解决停滞的方法之一是ADSP-21060KS-160激光光路方式，其中信息内容以光而不是电的方式编号。2019年，IBM科研精英团队与来自学界的合作者一起生产了世界上第一个能够在室内温度下运转的极快全光晶体三极管。

这个科学研究小组遇到了另一个难点:如何通过硅光波导入连接晶体三极管，使其中间的光传输损耗最小化？

采用硅光波导入的连接激光光路的晶体三极管是制造紧凑型、高宽比集成集成ic的关键要求。因为假设光波导入的晶体管是由硅制成的，那么在其周围放置其他需要的部件，比如电级就更容易了。工业生产中使用于半导体材料的技术已经改进了几十年。

众所周知，硅是一种能见光强的吸收体，因此它尤其适用于光伏材料，但对于光波导入来说，吸光代表数据信号损伤。

因此，IBM的科学研究人员考虑了在防止消化吸收问题的同时应用完善的硅技术方法。她们的解决方法是，根据被称为负色光栅尺的纳米技术结构，用无耗硅光波导入连接该晶体三极管。

这个效果以Low-lossopticalwaveguidesmadewithahigh-lossmaterial问题发表在Light:Science&Applications上。

1、用光栅尺对光进行限定。

这种光栅尺由由纳米大小的“柱子”排列成一个“栅栏”来防止光逃逸。这个柱头的直径是150nm，当光线穿过这个柱头时就会产生相消。这样，光源就不容易漏过光栅尺，绝大多数的光源都会反射回光波导入的内部。此外，柱头内部对能见光的消化吸收也是最小的。加上这两个特征，光在光波导入内1毫米的传播途径上的损耗只有13%。相比之下，在没有光栅尺的纯硅光波导入中，10um长光波导入的损耗将达到99.7%。

2、精确光栅尺设计方案模拟。

负光栅尺背后的想法很可能看起来很简单。众所周知，光栅尺可以避免 可见光被硅消化吸收，这种情况仍然令人惊讶。2010年，IBM精英团队首次在激光微腔中观察到光栅尺的效用，激光的光变大可以补偿这种损失。此外，光源以接近90度的视角直接照射光栅尺——这是光栅尺效用的最佳点。为了更好地保证 光栅尺的设计方案能够工作，光在光波导入中的传播必须根据光栅尺规格的不同而确定。结果表明，光栅尺可以在宽屏上显示合理的光线引导。

3、对光线及其行业的潜在好处。

这种设计方案不仅可以用来制造直光波导入，而且有望完成弯曲光波导入的制造，但这必须进一步提高，以保持较低的损耗。接下来，将是设计方案中高效率的藕合光波导入其他部件。

这个科研精英团队坚信，这种无耗硅光波的引入可以使新型光量子ic设计用于微生物传感器和其他可见光的应用。它还可以帮助制造更高效的光电设备，如广泛应用于电信网络的激光发生器和解调器。