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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(jì)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(xué)顯微鏡(OM)圖像。在齒輪區(qū)域可以看到可見(jiàn)光模式。(c)聚焦離子束(FIB)圖像顯示了Ge微型齒輪的鳥(niǎo)瞰圖，微型齒輪由埋地(底部)SiO2和等離子體增強(qiáng)化學(xué)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(biāo)注在右下角。來(lái)源：光學(xué)快報(bào)(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(lái)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(jì)算機(jī)芯片的硅兼容，所以這種新的光源可以用來(lái)增加基于芯片的光學(xué)計(jì)算和通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

來(lái)自英國(guó)南安普敦大學(xué)、日本東京大學(xué)(University of Tokyo)、東橋工業(yè)大學(xué)(Toyohashi University of Technology)和日立公司(Hitachi Ltd.)的研究人員在美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)的《光學(xué)快報(bào)》(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(jì)算機(jī)芯片內(nèi)可以壓縮25萬(wàn)個(gè)這樣的微型齒輪。

由于其在通信和計(jì)算方面的優(yōu)勢(shì)，人們對(duì)產(chǎn)生扭曲、或具有光束軌道角動(dòng)量的光非常感興趣?，F(xiàn)在，人們通過(guò)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(lái)利用光攜帶信息。但如果使用扭曲的光的話(huà)，光的每個(gè)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(lái)攜帶更多的信息。

南安普敦大學(xué)的Abdelrahman Al-Attili是這篇論文的第一作者，他說(shuō)：“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(jì)算機(jī)上創(chuàng)建集成光學(xué)電路所需的最后一個(gè)組件。這些微小的光學(xué)電路可以使用扭曲光來(lái)傳輸大量的數(shù)據(jù)。”

利用材料張力來(lái)改善發(fā)光

硅是制造計(jì)算機(jī)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?yàn)楣柽@種材料的特性導(dǎo)致了發(fā)光效率低下。雖然鍺也有類(lèi)似的局限性，但通過(guò)對(duì)鍺拉伸施加張力可以提高其發(fā)光效率。

Al-Attili說(shuō)：“以前，可以對(duì)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(jì)有助于克服這個(gè)挑戰(zhàn)?！?/span>

微型齒輪新設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是齒輪的邊緣是獨(dú)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(duì)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(guò)程中能夠散熱。

為了展示他們的新設(shè)計(jì)，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(xì)的物理尺寸。然后他們用標(biāo)準(zhǔn)的綠色激光照射齒輪(這種激光不會(huì)發(fā)出扭曲的光)。微型齒輪在吸收了綠光后，它會(huì)產(chǎn)生自己的光子，這些光子會(huì)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(xué)模擬

研究人員通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬來(lái)測(cè)試和調(diào)整他們的設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)模擬在納秒甚至更短的時(shí)間內(nèi)，光在齒輪中的傳播方式。通過(guò)將原型機(jī)的發(fā)射光與計(jì)算機(jī)的模擬結(jié)果進(jìn)行比較，他們能夠確認(rèn)齒輪確實(shí)產(chǎn)生了扭曲光。

“我們可以精確地設(shè)計(jì)我們的設(shè)備來(lái)控制每個(gè)傳播波長(zhǎng)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)和發(fā)光的波長(zhǎng)，”Al-Attili說(shuō)。

研究人員現(xiàn)在正致力于進(jìn)一步提高鍺微型齒輪的發(fā)光效率。如果成功的話(huà)，這項(xiàng)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(shuō)：“過(guò)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(xué)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(lái)制造納米和微尺度設(shè)備的一個(gè)例子。”