图片来源：美国物理联合会

与大量成功的电子集成故事不同，光子集成仍处于婴儿阶段。不同于电子集成，它面临的一个最严重的障碍是需要用各种材料获得不同功能。让事情进一步复杂化的是，光子集成的很多材料与硅集成技术不能共融。

到目前为止，将各种功能性纳米线置入光子电路以达到所需功能的尝试表明，纳米线过小而不能限制光。而更粗的纳米线尽管能够提高光限制和性能，却会增加能量消耗和设备足迹，在集成方面这两点被认为是“致命”的。

为了解决这一问题，日本电信电话株式会社（NTT）研究人员想到了一个方法，将次波长纳米线与一个光子晶体平台相连，他们近日在发表于美国物理联合会出版社的《APL光子学》期刊上报告了相关成果。

光子晶体——折光率呈现周期性调节的人工结构——是其发挥作用的关键。

“一个光子晶体的本地小折光率调节能够产生强大的光限制，形成超强质量的光学共振器。”NTT基础研究实验室高级科学家Masaya Notomi说，“我们在工作中充分利用了这种特殊性质。”

回到2014年，该团队证明可以用直径仅有100纳米的次波长纳米线较强地限制光，方法是将其置于一个硅光子晶体上。那时，“证明这种限制机制仍处于初步阶段，但我们的工作成功地用这种方法在一个硅平台上展示了次波长纳米线设备”，Notomi说。

换言之，当次波长纳米线自身不能成为具备强光限制的共振器时，在被置于一个光子晶体上时，它会导致折光率调节产生光限制。

“对我们的工作来说，我们会精心准备一个拥有充分大光学增益的III-V半导体纳米线，通过使用（纳米探针操作技术）将其放置在一个硅光子晶体的狭槽内，从而形成一个光学纳米共振器。”该文章首席作者、NTT基础研究实验室Notomi团队研究人员Masato Takiguchi说。“通过一系列仔细的描述，我们证明了这种次波长纳米线能够展示出连续波激光振荡以及每秒10千兆比特的高速信号调节。”

利用纳米线激光进行光子集成需要满足3个必要条件。“首先，纳米线需要足够小并具有充分的强光限制性能，这可以确保极小的足迹和能量消耗。”Takiguchi 说，“其次，纳米线激光必须能够产生高速信号。第三，激光波长应该大于1.2微米以避免被硅吸收，所以创建光通信波长在1.3微米至1.55微米之间的次波长纳米线激光非常重要，从而能够产生高速信号调节。”

实际上，此前展示的基于纳米线的激光“波长均短于0.9微米，不能被用于硅光子集成电路——除了相对较粗的1.55微米的微米线激光脉冲激光展示之外。”Notomi说。这可能是因为波长更长使其材料增益更小，从而很难让细纳米线获得激光。

此外，“任何类型纳米线的高速调节的零示范也已经实现。”他指出，这也是因为小增益量。

“通过当前的工作，我们把纳米线和硅光子晶体相结合解决了这些问题。”Notomi 说，“我们的结果首次通过次波长纳米线展示了连续波激光振荡，也首次展示了通过纳米线激光进行的高速信号调节。”

该团队能够实现每秒10千兆比特的调节，这与传统上用于光学通信的直接调节高速激光相差无几。

“这证明了纳米线激光展示出信息处理的前景，特别是在光子集成回路中。”Notomi说。

该团队目前最具前景的工作是基于纳米线的光子集成电路，他们将利用各种不同的纳米线实现不同的功能，如激光、光子探测以及硅光子集成电路开关等。

“我们期待未来15年内将会需要装有芯片光子网络的处理器，而基于纳米线的光子合成将是一个潜在的解决办法。”Notomi说。

谈到激光，该团队的下一个目标是集成拥有输入或输出波导的纳米线激光。

“尽管这种集成对基于纳米线的设备一直是一个有难度的任务，但我们期待它会在我们的平台上更加容易实现，因为光子晶体平台在波导连接方面具有内在优势。”

该团队计划利用同样的技术“选择不同纳米线”建立“光子设备而非激光”，Takiguchi 说。“我们想要展示我们能够通过在单一芯片上拥有不同功能集成大量光子设备。”（来源：科学网 晋楠编译）