Ge微型齒輪。(a)微型齒輪結(jié)構(gòu)的俯視圖示意圖，該示意圖顯示了齒輪的設(shè)計參數(shù)，即內(nèi)部半徑(Rin)、外部半徑(Rout)和周期數(shù)(m)。(b)干法蝕刻后的Ge微型齒輪光學顯微鏡(OM)圖像。在齒輪區(qū)域可以看到可見光模式。(c)聚焦離子束(FIB)圖像顯示了Ge微型齒輪的鳥瞰圖，微型齒輪由埋地(底部)SiO2和等離子體增強化學汽相沉積(PECVD)SiO2(頂部)封裝在硅柱上。(d) Ge微齒輪掃描電鏡(SEM)側(cè)視圖。由于TMAH刻蝕的各向異性，硅柱呈明顯的金字塔狀。晶圓片的結(jié)晶方向標注在右下角。來源：光學快報(2018). DOI：10.1364 / OE.26.034675

研究人員首次使用由鍺制成的微小齒輪來產(chǎn)生扭曲的光漩渦，使光繞著其傳播方向軸旋轉(zhuǎn)，就像螺旋形一樣。由于鍺與用于制造計算機芯片的硅兼容，所以這種新的光源可以用來增加基于芯片的光學計算和通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

來自英國南安普敦大學、日本東京大學(University of Tokyo)、東橋工業(yè)大學(Toyohashi University of Technology)和日立公司(Hitachi Ltd.)的研究人員在美國光學學會的《光學快報》(Optics Express)雜志上描述了這種新型發(fā)光齒輪。這種微型齒輪半徑只有1微米或更小，1平方毫米的計算機芯片內(nèi)可以壓縮25萬個這樣的微型齒輪。

由于其在通信和計算方面的優(yōu)勢，人們對產(chǎn)生扭曲、或具有光束軌道角動量的光非常感興趣。現(xiàn)在，人們通過改變發(fā)射光子的數(shù)量，或者使光在兩種偏振態(tài)之間切換來利用光攜帶信息。但如果使用扭曲的光的話，光的每個扭曲都可以表示不同的值或字母，這樣我們就可以用更少的光來攜帶更多的信息。

南安普敦大學的Abdelrahman Al-Attili是這篇論文的第一作者，他說：“我們的新型微齒輪具有在硅基板上集成激光器的潛力，硅基板是在計算機上創(chuàng)建集成光學電路所需的最后一個組件。這些微小的光學電路可以使用扭曲光來傳輸大量的數(shù)據(jù)?！?/span>

利用材料張力來改善發(fā)光

硅是制造計算機芯片和相關(guān)元件的常用材料，但要在硅上制造出一種可用的微型化光源在此前是不可能的，因為硅這種材料的特性導(dǎo)致了發(fā)光效率低下。雖然鍺也有類似的局限性，但通過對鍺拉伸施加張力可以提高其發(fā)光效率。

Al-Attili說：“以前，可以對鍺施加的張力不夠大，不能在不降解材料的情況下有效地發(fā)光，但我們新的微型齒輪設(shè)計有助于克服這個挑戰(zhàn)。”

微型齒輪新設(shè)計的特點是齒輪的邊緣是獨立的，因此它們可以被沉積在結(jié)構(gòu)上的氧化膜拉伸，這樣就可以在不破壞鍺晶體結(jié)構(gòu)的情況下對鍺施加拉伸張力。微型齒輪安裝在硅基座上，硅基座再將齒輪連接到硅基板的頂部，使其在工作過程中能夠散熱。

為了展示他們的新設(shè)計，研究人員使用電子束光刻技術(shù)制造出了構(gòu)成齒輪齒的非常精細的物理尺寸。然后他們用標準的綠色激光照射齒輪(這種激光不會發(fā)出扭曲的光)。微型齒輪在吸收了綠光后，它會產(chǎn)生自己的光子，這些光子會在齒輪邊緣循環(huán)，形成扭曲的光，隨后由周期性的齒輪向外垂直反射。

精密光學模擬

研究人員通過計算機模擬來測試和調(diào)整他們的設(shè)計，計算機模擬在納秒甚至更短的時間內(nèi)，光在齒輪中的傳播方式。通過將原型機的發(fā)射光與計算機的模擬結(jié)果進行比較，他們能夠確認齒輪確實產(chǎn)生了扭曲光。

“我們可以精確地設(shè)計我們的設(shè)備來控制每個傳播波長的旋轉(zhuǎn)次數(shù)和發(fā)光的波長，”Al-Attili說。

研究人員現(xiàn)在正致力于進一步提高鍺微型齒輪的發(fā)光效率。如果成功的話，這項技術(shù)將有可能將數(shù)千束激光集成在一塊小小的硅芯片上以傳輸信息。

他說：“過去用于制造電子設(shè)備的硅制造技術(shù)現(xiàn)在可以應(yīng)用于制造各種光學設(shè)備。我們的微型齒輪僅僅只是這些功能可以如何被用來制造納米和微尺度設(shè)備的一個例子。”