原创 美国家实验室研发“真正纳米级”硅波导

美国能源部旗下的劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)近日宣布研发出全球首创的，可实现芯片上光通讯的“真正纳米级”硅波导(silicon waveguide)。

劳伦斯伯克利实验室利用新研发的一种称为“混合等离极化激元(hybrid plasmon polariton，HPP)”的准粒子(quasi-particle)，解除了前人尝试开发硅光子元件的新运作模式、以最佳化光子与等离子系统之路途上所遭遇的光学损失(optical losses)障碍。

该实验室采用的方法，结合了高量子局限(quantum confinement)与低讯耗损失，也为实现纳米等级的芯片上激光(on-chip lasers)、量子运算以及单光子全光学开关(single -photon all-optical switches)等技术开启一扇门。

创造以上研究成果的，是劳伦斯伯克利实验室 材料科学部门研究员暨美国加州大学伯克利分校的纳米科学与工程中心总监Xiang Zhang；共同参与的还包括博士研究生Volker Sorger与Ziliang Ye。他们表示，HPP将为支持芯片内光通讯、信号调制，以及芯片上激光、生物医疗传感等应用的纳米级波导，开启一个新时代。

被称为表面等离极化激元(surface plasmon polaritons，SPPs)的准粒子，是已知可用在将光波导向横跨金属表面，以产生表面电子波──也就是等离子(plasmons)──然后能与光 子产生交互作用。但遗憾的是，SPP在传导通过金属时，会遭遇严重的信号损失。

伯克利实验室的研究人员解决以上问题的方法，是在金属与光波导半导体元件之间，添加了一层低K电介质(low-k dielectric)层，形成一种金属氧化物半导体架构，能将导入的光波重分配(redistributes)到光学损失较少的低K电介质间隙中。

劳伦斯伯克利实验室研究团队成员

采用上述方法所产出的HPP，能以更自由的方式进行传导，让工程师能以标准CMOS芯片打造出光学特性媲美罕见三五族半导体化合物的纳米级波导。研究人员估计，这种新技术在2~5年内就可推向商业市场。

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