芯片上的光学纳米天线实现了高比特率传输

电子万花筒 2020-08-11 00:00

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天线是用于接收和辐射电磁场的工具，应用十分广泛，在光学波段可以利用光学天线在纳米尺度对光进行调控。

为了实现信息的超快速传输，澳大利亚国立大学（ANU）的一个研究团队率先在光波导上嵌入光学纳米天线。在这里，纳米天线的金纳米棒充当馈电元件的角色，相当于无线电波中的天线；光波导则相当于无线电波中的电缆，可以接收由天线检测到的电磁波。

纳米光学天线与传统天线相比，首先在维度上是最小尺度，可以达到亚微米级。这样的纳米天线有助于在硅芯片上实现光子元件的高密度集成。澳大利亚国立大学的教授Dragomir Neshev 说：“我们所展示的这样一个亚微米级别的天线，可以在波导中对不同的信息流进行分类和分流。在用于交流连接的相干接收器中执行这样一个操作是十分重要的。”

值得注意的是，这种嵌入光学纳米天线波导的基础与八木天线有点类似，它只能在一个方向发射或者收集无线电波。基于这样一个事实，Neshev补充说：“我们设计的天线可以有效地将水平和垂直方向上的偏振进行整合”。

事实上，纳米光学天线是基于表面等离子共振的光子器件。在等离子体激元中，金属表面电子受到入射光激发，并以等离子波形式开始移动穿过金属表面。这些等离子共振波长要远小于最短的光波，从而使得器件的尺寸要比本身依赖光的器件要小。基于这样一个工作原理，光子已取代电子，并创建了光子集成电路。

但是，整个设备结构是仍需改进的。Neshev说：“这个结构需要使互补金属氧化物半导体（CMSO）兼容。目前使用的金属需要用另一种金属如铝替代以与CMSO兼容”。

研究人员也表示，在此设备商业化之前，还需要更多的工程设计以提高其设备信息的传输效率。

参考：

http://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/devices/for-first-time-on-chip-nanoantennas-enable-highbit-rate-transmission

研究人员制造出了一种硅材料光学天线，这种天线体积非常小，形状类似于一种特殊棱镜。之所以称它为棱镜，是因为当红色光照射到该光学天线上，光的传播方向会改为向左，而另一种颜色的光比如橙色光会向右散射。

这种非同寻常的特性，即所谓的“双向颜色散射”，其能够使光学天线成为一台高效率的无源“可见光波长”路由器。该天线可以用在创新型光学传感器、光敏物质处理以及光学通信中。

李佳琪领导的团队完成了这种新型光学天线的研发，团队成员都来自于比利时，分别就职或就读于校际微电子中心（以下简称IMEC）和天主教鲁汶大学（以下简称KU Leuven）。最终的论文发表在了最近一期的《NanoLetters》期刊上。

虽然光学天线是块相对新的研究领域，但其实原理和我们现在常用的广播天线和微波天线相仿。广播和微波天线通常被用来收发广播、手机和Wi-Fi信号的，光学天线也可以被用作类似的用途。

光学天线制作的难点主要在于它的尺寸非常小。从原理来看（见天线文章），天线的大小与其收发信号的波长相关。由于广播和微波的波长从毫米级到千米级不等，因此这种天线的体积相对会比较大。而可见光的波长只有几百纳米，因此需要纳米级别的天线来调制光波，而这个尺寸级别的天线是非常难制造的。

一块硅制成纳米“V”

在过去的几年里，IMEC和KU Leuven团队一直在探索利用纳米结构来操纵光传播方向的可能性。他们的探索方向是单元素纳米天线。在2013年，该团队使用纯金制作出的纳米天线成为当时世界上最小的单向光学天线，其形状为“V”型。选择贵金属作为材料的原因是因为它们能产生所谓的“等离体子效应”，这种工作方式与其他材料的纳米天线有着天壤之别。

而使用硅材料制作“V”型天线后，研究人员能够获得光的双向散射特性，这与之前使用金获得的单向散射特性形成鲜明对比。在双向散射中，散射的方向取决于入射光的波长。方向上的偏移是渐进的——例如，当波长从775纳米减小到660纳米时，散射方向渐渐地从向左变为向右。通过对天线尺寸和形状的微调，人们能够选择光的不同工作波长。

“经过团队的努力，我们发现，当单片硅的几何尺寸小于光的波长时，有效地改变可见光和近红外光各自的传播方向是可行的，”论文的联合作者尼尔斯•弗雷伦（Niels Verellen）解释道，“这说明天线的材料和几何结构都非常关键。我们之前使用过对称纳米颗粒簇，或者是同样形状金属天线，都没能达到这个效果。”

光学天线由单张V型硅片制成。该光学天线发散光的方向取决于光的波长。图片来源：Li et al.

硅材料与黄金相比，有几点优势。例如，硅可以避免欧姆吸收造成的损耗，这正是等离子纳米天线的主要缺点。此外，硅天线有很大的散射横截面，这意味着硅天线能够更有效地与光发生作用。更重要的是，硅还是一种对CMOS（目前常见的感光元件）完全兼容的材料，因此它能够直接集成到大规模光电设备的制造中。

“我们的这些光学天线已经接近光学部件的最小尺寸极限了，”李佳琪说道，“它们在大多数人熟悉的宏观光学与微米/纳米尺寸光学元件，甚至是分子/原子级别的现代电子设备之间，搭建了一座桥梁。”

小天线，大用处

就应用而言，双向光学天线能够制作出更加紧凑，低价且高效的光感设备，如光学传感器和光电检测器等。这些设备可以用在广泛的领域，包括生命科学、光伏、光纤、环境监测、光学雷达、全息摄影和量子计算等。研究人员的下一步计划就是对这些应用进行全面开发。

“绝缘天线引脚非常小，因此在微米和纳米级别的光学系统应用中有着非常好的前景，”Verellen说到。“光子接收或发射方向的可选择性，这在个领域是很重要的。例如，在光学集成电路（PIC）中，光栅耦合器把来自激光或者光纤的光发送到芯片上的波导管中。这些光栅耦合器相对较大，尺寸是光波长的好几倍，因此他们可以由一个或者几个定向的光学天线替代，以进一步减小电路尺寸。”

弗雷伦还说道：“尤其在纳米光子学的应用中，每个光子都非常重要。通过引导光子路径（波阵面工程），光子的收集效率大大提高，拉曼光谱和量子光学应用都会从中受益匪浅。举个例子，引导光子路径由能够用来发送信号或者提高接收器的信噪比。

“另外，波长与方向的相关性对于光学传感器（如生物或化学领域）的小型化会带来巨大的好处。这些传感器一般是基于感测样本光谱的变化工作的。通常的样本有发散光，传播光或者荧光等。评估频谱信息需要光栅或者滤光器。这些部件尺寸很大，而且很难做得很小。如果把定向光学天线置于距离样本非常近的位置，那么频谱信息就直接存在于散射或者传播的样式中。这样能够简化频谱分析，结果就是仪器价格上越来越低，尺寸上越来越小。”弗雷伦补充道。

在未来的科研中，科学家们计划研究这种光学天线如何处理来自微小光源的光，例如量子点光源。此外，科学家们想探索如何利用这种光学天线来驾驭光。

“目前，这种硅天线是无源的，” 李佳琪说到。“这意味着，一旦制造出来，天线传播每种颜色的光的方向是固定的。然而，我们可以给天线一个激励，通过调节它的光学属性使它变为有源天线。通过施加某种外部激励，我们理论上能够让天线在指定方向上传播指定颜色的光。”