光子集成电路的特性

硅光子学因其从量子计算到生物传感的广泛应用而成为一项关键技术和广泛研究的领域。光子结构的测试和表征需要灵敏、精确和定量的成像和光谱解决方案，从可见光到红外波长(电信波长)。

光子集成电路是利用光执行复杂光学功能和过程的芯片级器件。随着光学小型化和设备变得更加复杂，遵循更多模块化设计方法来组合具有不同光学功能和研究的元件是可行的。随着设备变得越来越复杂，具有模块化特征的设计方法是有利的。此类器件还必须采用将硅波导与等离子体金属元件相结合的设计策略，这些元件用于在 PIC 平台上实现光学功能，并具有高耦合效率。

澳大利亚悉尼大学 Martijn de Sterke 教授周围的研究人员在最近的一篇文章中写道，所谓的“混合等离子体波导，在金属和高折射率波导之间包含一个低折射率缓冲层”，为“光子和等离子体波导之间的耦合。” de Sterke 教授周围的研究人员与来自耶拿和不伦瑞克(德国)的合作者一起报告了他们使用“多个模块化功能元件”构建这些混合结构的更复杂电路的努力。

研究人员创建了一种等离子体装置，可将入射的 TE 偏振红外光束的偏振旋转为 TM 偏振光束，通过非线性二次谐波生成将其转换为可见光输出。该设备采用纳米聚焦元件，这些元件是锋利的金属尖端，可将光限制在超小(纳米尺寸的体积)内，从而导致巨大的电场增强，从而产生更多的二次谐波光。

使用显微成像和光谱学对加工后的纳米结构器件进行评估。该显微镜与带有 2 个摄像头的光谱仪相连，用于检测。由于这些器件的设计输入波长为 1320 nm，SHG 输出为 660 nm，因此该装置使用 Teledyne Princeton Instruments NIRvana 相机进行短波红外光检测，使用PIXIS CCD 相机进行可见光检测和光谱分析。该装置执行多种测量功能：

• 成像监测设备上纳米结构的光散射，通过改变设计尺寸确认偏振旋转和二次谐波生成的效率。

• 光谱学表征光谱响应，例如输入光和输出光谱的比较可确认可见光的SHG 性质。

• 定量测量SHG 光以获得所达到的光谱转换效率。

该文章展示了如何实现纳米聚焦，因为较小的金属尖端的倍频急剧增加，并讨论了如何进一步提高设备效率。根据这项研究，模块化设计方法可以实际应用于更复杂的器件，并且与使用 Cu 和 Al 作为金属的 CMOS 处理技术兼容，而不会降低器件质量。潜在的应用包括“片上量子光子学和光谱学、非线性和原子级传感以及纳米级太赫兹源和探测器”。

审核编辑 黄宇