美研究者开发中红外、近红外双波段波导芯片

光子芯片的发明，使得硅波导携带数据的能力逐渐提高。相应地，科学家们希望能够提高其中所传输光信号的带宽。然而对芯片级设备的制造来说，在同一波导内多路复用近红外和中红外信号，是一个难以解决的问题。

如今，美国范德堡大学的研究人员展示了一种新型的混合型波导，可同时传输中红外（波长6.5 μm~7.0 μm）和近红外（波长1.55 μm）光波。研究发表于Advanced Materials期刊，论文链接为：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202004305。这种波导由两种不同的半导体制成，有望成为未来集成光子结构的关键部件，可处理远程通信和化学光谱等数据。

图1 研究人员设计了一种混合型硅基光子波导，可在同一块芯片上同时传输中红外和近红外光

硅和氮化硼的堆叠

该混合波导由美国范德堡大学制成，由六方氮化硼（hBN）异质结构和硅组成。范德堡大学的工程学教授Joshua D. Caldwell表示，异质结构就是“两种不同材料堆叠在一起形成的结构”，在他们所研发的混合波导中，这两种材料分别是硅和氮化硼；其中氮化硼以一种类似于石墨的六方晶格的最稳定形式存在。

目前科学家们已经能够在硅波导中传输近红外频率，但若想在其中传输中红外波，波导尺寸必须更大。而问题在于，当波导尺寸大到足以接收中红外信号时，近红外的传输又会被扰乱。

hBN材料以双曲声子极化激元的形式传输中红外波。美国范德堡大学的研究人员首先数学建模，然后通过实验制造了混合型波导：先将波导蚀刻到220 nm厚的硅片上，然后在上面转移了40 nm厚的hBN层。研究团队借助扫描近场光学显微镜分析了通过异质结构的信号模式。

未来的可能性

Caldwell说，这种异质结构有很多潜在的用途，并解释道：“一方面，可以使用中红外信道进行化学传感，‘通知’近红外信道探测事件的发生，并将信号发送到信号的读出端。此外，对中红外信道进行调制，可以改变底层硅通道的局部环境，从而提供了一种主动调制近红外信号的手段。最后，这种波导也能够简单用于传输相同形式的两种不同信息中。”

Caldwell说，接下来他和他的同事们将着重研究如何将这些杂化异质结构整合到功能硅光子结构中，如环形谐振器和光子晶体，探索能否在这些结构中实现近红外和中红外复用。

另还有其他三家美国机构的研究人员参与了此项研究，分别来自爱荷华大学、哥伦比亚大学和堪萨斯州立大学。