近日，哥倫比亞大學(xué)應(yīng)用物理系助理教授虞南方(Nanfang Yu)博士率領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，利用納米天線，成功地發(fā)明了一種能夠在狹窄路徑，或者所謂的“波導(dǎo)”中，對(duì)光線傳播進(jìn)行高效控制的新途徑。該論文發(fā)表于4月17日在線出版的《自然·納米技術(shù)》雜志上。

相比于依賴電子進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募呻娐?，光子集成電?IC)利用在波導(dǎo)中傳播的光線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。而打造這類電路的關(guān)鍵之處在于對(duì)光傳播這一過(guò)程進(jìn)行有效地控制。虞教授的方法將為人們帶來(lái)更快、更強(qiáng)大、效能更高的光子芯片。不僅如此，這樣的芯片反過(guò)來(lái)也將為光子通信與光子信號(hào)處理帶來(lái)翻天覆地的變革。

虞教授說(shuō)，我們所打造的這一個(gè)集成納米光子器件，所占面積是有史以來(lái)最小，但卻同時(shí)擁有迄今為止最寬的工作帶寬。在納米天線的幫助下，我們能夠大大減小光子集成器件的尺寸。而尺寸減小的程度，不亞于在20世紀(jì)50年代時(shí)，由半導(dǎo)體晶體管取代大型真空管的那一大跨越。如何能夠以有效的方式去控制波導(dǎo)中傳播的光線?這個(gè)問(wèn)題一直是這一領(lǐng)域最為基礎(chǔ)和重要的科學(xué)問(wèn)題。而我們的工作則為這個(gè)問(wèn)題找到了一個(gè)革命性的答案。

沿波導(dǎo)傳播的光波的光功率被限制在波導(dǎo)的核心范圍內(nèi)：研究人員通常只能通過(guò)波導(dǎo)表面附近存在的細(xì)微的、逐漸消逝的“尾跡”去尋找有關(guān)導(dǎo)波的蛛絲馬跡。這些詭譎難測(cè)的導(dǎo)波特別難以實(shí)現(xiàn)精確操縱。因此在以往實(shí)踐中，光子集成器件往往設(shè)計(jì)成較大的尺寸，占用空間不說(shuō)，還限制了芯片的器件集成密度?？s小光子集成器件的尺寸一直是研究人員希望能夠攻克的難題之一。

虞教授的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于在波導(dǎo)管中傳播的光線而言，最為有效的控制手段是利用光線納米天線去“修飾”波導(dǎo)管。這些微型天線能夠從波導(dǎo)芯片內(nèi)部吸收光線，改變光線的性質(zhì)，隨后又將這些修飾過(guò)的光線釋放回波導(dǎo)之中。密集堆疊的納米天線表現(xiàn)出了極強(qiáng)的累積效應(yīng)，他們能夠在不超過(guò)兩倍波長(zhǎng)的傳播距離內(nèi)，實(shí)現(xiàn)諸如波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換等功能。

虞教授說(shuō)，“在傳統(tǒng)方法中，我們使用的器件長(zhǎng)度大多數(shù)達(dá)到了波長(zhǎng)的數(shù)百倍?？紤]到這一點(diǎn)，我們的研究稱得上是一次重大突破。我們已經(jīng)能夠?qū)⒃O(shè)備的尺寸減小到原來(lái)的十分之一甚至百分之一。”

圖 | 光子集成電路示意圖，其中一條分支將入射的基本波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換成二階模式

虞教授團(tuán)隊(duì)打造了一款可將某一波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換為另一波導(dǎo)模式的模式轉(zhuǎn)換器。而這一轉(zhuǎn)換器是實(shí)現(xiàn)所謂的“模式分多路復(fù)用”(MDM)這一技術(shù)的關(guān)鍵所在。一個(gè)光波導(dǎo)可以承載一組基礎(chǔ)波導(dǎo)模式，以及一系列更高階的波導(dǎo)模式，正如同一根吉他弦既能彈奏出一個(gè)基本音，也可以作為和弦中的一部分。

MDM這一手段能夠大大增強(qiáng)一塊光學(xué)芯片的信息處理能力。具體來(lái)說(shuō)，在同一根波導(dǎo)管內(nèi)，人們可以使用顏色相同但是擁有不同波導(dǎo)模式的光線，實(shí)現(xiàn)同時(shí)傳輸多個(gè)獨(dú)立的信道。打個(gè)比方說(shuō)，這種效果就像是金門(mén)大橋的交通承載能力在一夜之間擴(kuò)容了好幾倍。虞教授解釋道，我們的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器使得創(chuàng)建更多的信息途徑成為了可能。

虞教授的下一步計(jì)劃，是將具有主動(dòng)調(diào)節(jié)功能的光學(xué)材料置入光子集成器件內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)在波導(dǎo)內(nèi)部傳播的光線的主動(dòng)控制。該裝置有望成為現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)(AR)眼鏡的基本組成單元?，F(xiàn)實(shí)增強(qiáng)眼鏡的原理是首先確定佩戴者的眼鏡像差，隨后將經(jīng)過(guò)校正的圖像投影到眼鏡之中。

目前，虞教授正與他在哥倫比亞工程系的同事們，包括麥克·立普森(Michael Lipson)教授，艾利克斯·該塔(Alex Gaeta)，德米特里·巴索夫(Demetri Basov)，吉姆·霍恩(Jim Hone)和哈里什·克里史娜斯瓦米(Harish Krishnaswamy)就這一項(xiàng)目展開(kāi)合作。除此之外，虞教授還在探索將波導(dǎo)中傳播的波轉(zhuǎn)換為強(qiáng)表面波，在未來(lái)，這或許可用作芯片上的化學(xué)與生物傳感器。