如何用硅波导来降低光传输损耗？

几十年来，人类计算机的运行速度一直在稳步增长。在40年前发布的第一台IBM个人电脑的处理器中，运行速度大约为每秒500万个时钟周期，4.77MHz。在今天，我们个人电脑的处理器运行速度大约是当初的1000倍。

但是，在过去的15年里，单个处理器核心的时钟频率一直停留在几千兆赫。在芯片上排布更多的晶体管这种传统方案将不再有助于突破这个禁锢。

摆脱停滞的一条途径可以是光路形式，其中信息以光而不是电的方式编码。早在2019年，IBM研究团队与来自学术界的合作伙伴一起制造了世界上第一个能够在室温下运行的超快全光晶体管。

该研究小组遇到了另一个难题：如何用硅波导将这些晶体管连接起来，并使它们之间的光传输损耗最小？

用硅波导连接光路的晶体管是制造紧凑，高度集成的芯片的重要要求。这是因为如果波导由硅制成，则更容易在其附近放置其他所需的组件，例如电极。在半导体工业中，用于该目的的技术已经改进了数十年。

然而，众所周知，硅是可见光强吸收体，因此它非常适合用作光伏材料，但对于波导来说，光吸收意味着信号损失。

因此，IBM的研究人员考虑了在避免吸收问题的同时使用成熟的硅技术的方法。他们的解决方案是：基于被称为高对比度光栅的纳米结构，用一种低损耗硅波导来连接这些晶体管。

艺术效果图：高对比光栅结构的可见光硅基芯片

该成果以Low-loss optical waveguides made with a high-loss material为题，发表在Light： Science & Applications。

1. 用光栅来限制光

这种光栅由纳米大小的“柱子”排列成一个“栅栏”来防止光逃逸。这些柱子的直径为150 nm，当光穿过这些柱子时会产生相消。这样，光线就不会“漏”过光栅，大部分光线会反射回波导内。同时柱子内部对可见光的吸收也是最小的。这两种特性加在一起，光在波导内1 mm的传播路径上的损耗仅为 13%。相比之下，在没有光栅的纯硅波导中，10 um长波导的损耗将达到 99.7%。

采用高对比光栅波导的硅基芯片测试

2. 精确光栅设计模拟

高对比度光栅背后的想法可能看起来很简单。然而，光栅可以防止可见光被硅吸收这一现象仍旧令人惊讶。2010年，IBM团队第一次在一个激光微腔中观察到光栅效应，激光的光放大可以补偿这种损耗。此外，光线以接近90度的角度照射光栅——这是光栅效应发挥作用的最佳点。为了确保光栅设计能够工作，光在波导中的传播随光栅尺寸的不同而发生变化的关系需要确认。结果发现，光栅可以在宽频带上提供有效的光引导。

3. 对光路及其他领域的潜在好处

这种设计不仅可以用来制作直波导，还有望实现弯曲波导的制备，但这需要进一步的优化来保持较低的损耗。下一步，将是设计高效的耦合光波导到其他组件。

该研究团队相信，这种低损耗硅波导可以使新型光子芯片设计用于生物传感和其他依赖可见光的应用。它还可以帮助制造更高效的光学元件，如广泛应用于电信的激光器和调制器。
编辑：lyn