鈮酸鋰光子晶體電光調製器：為通信、計算、光子學研究鋪路
2020-09-03 環球創新智慧導讀
據美國羅切斯特大學官網近日報導，該校團隊演示了一種控制光線通過集成電路的新方法，為通信、計算以及光子學方面的研究鋪平了道路。
背景
與使用電力的傳統電路相比，光子集成電路使用光線取代電力進行計算和信號處理，具有更快的速度、更大的帶寬、更高的效率。
（圖片來源：Getty Images）
但是它們的尺寸還不夠小，無法與在電氣電路繼續佔主導地位的計算以及其他應用進行競爭。
創新
羅切斯特大學的電氣工程師認為，他們在解決這個問題上邁出了重要一步。該校團隊採用光子學研究人員普遍採用的材料，創造出迄今為止最小的電光調製器。該調製器是基於光子學的晶片的關鍵組件之一，控制光線如何通過電路。
下面的示意圖展示了電氣與計算機工程系教授林強（音譯：Qiang Lin）教授實驗室開發的電光調製器。
（圖片來源：University of Rochester illustration/Michael Osadciw）
在《自然·通訊》（NatureCommunications）中，林教授實驗室描述了採用粘合在二氧化矽層上的鈮酸鋰（LN）薄膜，不僅可以製造出最小的LN調製器，而且它還可以高速運行並且節能。
這篇論文的領導作者、林教授實驗室的研究生李明曉（音譯：Mingxiao Li）寫道：「這為實現大規模的LN光子集成電路奠定了至關重要的基礎，而LN光子集成電路對於數據通信、微波光子學以及量子光子學中的廣泛應用具有極其重要的意義。」
李明曉在蝕刻室中拿著一顆微小的鈮酸鋰晶片。（圖片來源：林強實驗室）
技術
林教授表示，由於鈮酸鋰具有出色的電光和非線性光學特性，它已經「成為光子學研究和開發的主打材料系統」。「然而，目前在塊狀晶體或薄膜平臺上製造的LN光子器件都需要較大的尺寸，並且難以按比例縮小尺寸，這樣就限制了調製效率、能耗以及電路集成度。主要挑戰在於打造高精度、高質量的納米光子結構。」
該調製器項目建立在實驗室之前使用鈮酸鋰創造光子納米腔（光子晶片中的另一個關鍵組件）的基礎上。林教授表示，納米腔只有大約一微米的大小，只能在室溫下使用兩到三個光子來調諧波長，「我們第一次知道甚至有兩到三個光子已經在室溫下以這種方式被操縱過」。《光學設計》（Optica）雜誌上的一篇論文對該設備進行了描述。
這款調製器可以配合納米腔使用，創造出納米級的光子晶片。
關鍵詞
光子、集成電路、晶片
參考資料
【1】Mingxiao Li, Jingwei Ling, Yang He, Usman A. Javid, Shixin Xue, Qiang Lin. Lithium niobate photonic-crystal electro-optic modulator. Nature Communications, 2020; 11 (1) DOI: 10.1038/s41467-020-17950-7
【2】https://www.rochester.edu/newscenter/photonics-researchers-report-breakthrough-in-miniaturizing-light-based-chips-449382/
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