科学家首次演示纳米尺度波导

据美国物理学家组织网5月31日报道，美国能源部下属的劳伦斯伯克利国家实验室的科学家演示了首个真正的纳米尺度的波导，这种名为“混合等离激元”的准粒子可广泛应用于新一代的光子集成电路和光子计算机中。相关论文发表在最新一期《自然—通讯》杂志上。与电子设备相比，光子设备的运行速度更快且灵敏度更高，因此科学家们一直期望用基于光或电磁波等波导制成的电路，取代目前用微处理芯片等组成的电子电路。为了满足高数据带宽和低能耗的要求，光子设备必须做到以缩减光子组件的大小来缩减制造以及传输和探测每个信息字节所必须的能耗。但光子设备在缩小后，光波之间会因紧密接触产生衍射干扰，形成微弱的光—电相互作用，妨碍设备功能的发挥。劳伦斯伯克利实验室材料科学分部首席科学家张翔（音译）领导的研究团队发现，光波被挤压后通过金属/介质纳米结构的表面时，金属纳米结构的表面会产生带电的等离子体，等离子体又可与光子相互作用，形成被称为表面等离子体激元（SPP）的准粒子，从而可将光子的波长缩小到衍射极限以下，减少衍射干扰。但光信号在通过金属/介质表面的金属那部分时，其强度却会减弱。为了解决光子信号损失的问题，张翔团队提出了混合等离子激元（HPP）的概念。一个半导体（高介质）带被放置在一个金属表面上，在其中插入一薄层氧化物（低介质），这种新的金属—氧化物—半导体设计会将入射光波的能量进行重新分配，光波的很多能量不再集中于金属内（此处光子的损失非常高），而被挤入低介质氧化物中，在此处，光子的损失要少很多。根据这个思路，张翔团队制造出了将光子和等离子体混合在一起的HPP模式，新模型仅为50×60平方纳米，在一个金属—绝缘体—半导体设备内，可见光和近红外线波段的光可产生纳米尺度的波导。该HPP模式能够减少衍射干扰而且光信号损失较少，其不仅对小型设备有优势，而且为纳米激光器的研制铺平了道路，同时，还可用于制造量子光学设备、单光子全光学开关和分子传感器等。这种HPP波导系统完全可以同现有的半导体/互补式金属—氧化层—半导体（CMOS）处理技术以及用于光子集成的绝缘硅平台兼容，因此更容易进行低成本、大规模的集成和制造。索格相信，基于这种技术的应用模型将于一两年内问世，首个实际产品也将于五年内上市。（来源：科技日报刘霞）