超均勻無序波導和近紅外硅光子學器件

　　近日，來自美國和英國的一個聯合研究小組的研究人員們推出了超均勻無序平臺實現近紅外(NIR)光子設備來創建、探測和操縱光。 他們在一個絕緣體上的硅(SOI)平臺上建造了這個裝置，以演示在一個不受晶體對稱性約束的靈活的硅集成電路結構的功能。

　　 科學家們報告了被動器件元件的結果，包括波導和諧振器與傳統的絕緣體上硅條形波導和垂直耦合器無縫集成。與在肋狀和條形波導上制作的硅光子器件相比，超單無序平臺改善了器件的致密性，提高了能量效率和溫度穩定性。 世界范圍內在硅光子學領域的成績導致了可以越來越低的成本設計光學數據通信，以滿足數據中心快速增長的需求。

圖：從左到右生成超均勻無序壁網結構(a)的協議:三角形晶格、其傅里葉譜和產生蜂窩網絡的對偶鑲嵌協議。(b)從左到右:隱秘的超均勻點模式、它的傅里葉光譜和將它轉換成三面協調無序網絡的對偶鑲嵌協議

　　 云計算和隨需娛樂的爆炸式增長對數據傳輸、處理和存儲的成本和能源需求提出了越來越大的挑戰。光學互連可以取代傳統的基于銅的解決方案，提供穩定增長的潛力，以最小化延遲和功耗，同時最大化設備的帶寬和可靠性。硅光子學還利用大規模互補金屬氧化物半導體(CMOS)制造工藝，以低成本生產高性能光收發器。這些特性使得光收發器(用于發送和接收數據的光纖技術)在更短距離上的應用越來越引人注目。

　　 三十多年前，物理學家Richard Soref發現硅是一種很有前途的光子集成材料。導致了今天日益復雜的光子集成電路(PICs)的穩定發展和快速生產。研究人員可以在一塊芯片上集成大量大規模并行、緊湊節能的光學組件，用于從深度學習到人工智能和物聯網的云計算。與商業硅光子系統的有限范圍相比，光子晶體(PhC)結構保證了更小的器件尺寸，盡管它們被沿光子晶體軸的波導要求施加的布局約束所限制。

　　 迄今為止，有效導光的光子帶隙(PBG)結構僅限于光子晶體平臺。現在，PBG結構的新類型包括光子準晶體、超均勻無序固體(HUDs)和局部自均勻結構。 在本工作中，研究人員們介紹了一種HUD (超均勻固體)平臺作為一種局部工程光子系統和用于光子集成電路的通用架構。他們展示了HUD平臺的設計靈活性和內置的無縫集成到預先設計的光學腔和波導的能力。絕緣體上硅材料(SOI)在光通信波長的許多應用中具有巨大的潛力。與標準的微環形諧振器(MRRs)或馬赫-曾德爾干涉儀(MZIs)相比，HUD諧振器表現出更少的溫度依賴的諧振波長位移(TDRWS)和增加的緊湊性。結果表明，該方法在器件改進和降低功耗方面具有良好的應用前景。

　　 該團隊首先獲得了使用電子束光刻技術在220納米高的SOI晶圓上制作的HUD網絡的掃描電子顯微圖(SEM)圖像。然后，通過超均勻網絡(不同壁寬的平均間距為500 nm)對透射電偏振光的透射光譜進行時域有限差分仿真。研究人員們通過修改HUDs的壁寬來調整這些帶隙的中心波長，寬的帶隙使它們能夠覆蓋1.50到1.58微米(μm)的波長范圍，使網絡非常適合于光子電路的設計。 科學家們設計和開發了一系列的直列缺陷波導，用填充的硅沿著期望的路徑替換了一排多邊形的空氣電池。制作的SOI HUD波導的SEM圖像允許多種優化方法來增加通過波導通道的傳輸。為了最小化后向散射損耗，他們對波導結構進行了一次優化，大大降低了初始的高后向散射損耗。

　　 研究小組通過HUD波導觀察了優化前后的透射譜，并在沒有波導通道的情況下進行了傳輸，實驗驗證了在1550 nm左右時的17分貝的改善。 HUD平臺支持了一套豐富的新型諧振器設計，包括在光子晶體結構中不具有對稱性的諧振腔。HUD平臺對于新型空腔和波導設計也具有通用性和靈活性，允許在最先進的設計中無縫集成，同時保持非常高的質量Q因子(光通道的信號質量)。該方法的優點是，任何設備都可以在同一平臺上以最小的消耗集成到自由形式的HUDs包層，保證研究人員為各種組件安排適當的絕緣。基于模擬，他們發現HUD設備占用空間很小，但Q值仍然很高。

　　 研究人員們下一步調研了HUDS結構中具有空中橋梁共振腔的無線電遙控光調制器。該團隊的主要目的是展示HUD平臺的通用性，以集成各種光學組件，同時保持其最先進的性能。他們記錄了電子分布密度和局部折射率作為偏置電壓的函數。研究小組通過施加小電壓輕松地調整了電子分布密度和局部折射率。然后，他們將正向偏壓(朝一個方向的大電流)應用到裝置上，以演示透射光譜向較短波長的偏移。結果表明，等離子體的色散效應降低了硅的折射率。科學家們預測0.48 V是在10dB開/關比下運行調制器的閾值電壓，并觀察到諧振腔體積小和Q值高，功率運行很低。 通過這種方式研究人員們展示了HUD (超均勻無序固體)集成設備探索HUD功能作為一個靈活、緊湊光子集成電路的平臺的實驗和模擬結果。

　　 他們改進了器件的制作過程，以減少傳播損耗，并使用更寬的波導和處理后制作優化了HUDs和帶狀波導間的傳輸。科學家們使用HUDs來促進預先定義好的PhC(光子晶體)諧振腔中的光約束，并提高它們的溫度穩定性。 新的無序PBG(光子帶隙)材料的固有各向同性(所有方向的均勻性)通過提供緊湊性、低功耗和改進的溫度穩定性展示了光子器件設計的潛力。該裝置還提供了前所未有的設計自由，沒有晶體結構或周期性的限制。與周期性材料相比，無序材料特性使它們對制造誤差不那么敏感。基于HUD的諧振器件在低損耗的紅外區域具有清晰的引導和定位能力。

　　 HUD設備為設計更復雜的系統提供了新的基礎，這些系統以半導體材料平臺上的無源和有源器件為特色，為提高數據速率和數據存儲提供了新的機會。