中国科学院长春光学精细机械物理研究所光出版中心 一对硅高对比度光栅的图示，可用于在芯片上引导可见光，尽管硅材料吸收很大，但损耗很低
信用:Urbonas，D
，Mahrt，R
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和斯特费尔勒 IBM研究人员成功地通过硅线有效地引导可见光，这是探索更快、更高效的新型逻辑电路的一个重要里程碑
几十年来，我们计算机的速度一直在稳步增长
40年前发布的第一台IBM PC的处理器，以大约每秒500万个时钟周期的速度运行(4
77 MHz)
今天，我们个人电脑中的处理器运行速度大约快1000倍
然而，以目前的技术，他们不可能比这更快了
在过去的15年里，单处理器内核的时钟频率停滞在几千兆赫
在芯片上塞入越来越多的晶体管这种古老而又久经考验的方法将不再有助于突破这一界限
至少在功耗方面不会不开银行
摆脱停滞的一种方法可能是以光电路的形式出现，在光电路中，信息被编码成光，而不是电子
2019年，一个IBM研究团队与学术界的合作伙伴一起建造了世界上第一个能够在室温下工作的超快全光晶体管
该团队现在继续研究这个难题的另一部分，一种连接这种晶体管的硅波导，以最小的损耗在它们之间传输光
用硅波导连接光电路的晶体管是制造紧凑、高度集成芯片的重要要求
这是因为如果波导是由硅制成的，那么将电极等其他所需元件放置在它的附近就更容易了
用于此目的的技术已经在半导体工业中改进了几十年
然而，众所周知，硅是可见光的强吸收体，这使得它非常适合在光伏电池板中捕获太阳光，但对于光吸收意味着信号损失的波导来说，这是一个糟糕的选择
具有高对比度光栅波导的硅测试芯片
信用:Urbonas，D
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和斯特费尔
做一道栅栏来限制光线 因此，国际商用机器公司的研究人员想出了一些方法来使用成熟的硅技术，同时避免吸收问题
他们的解决方案包括被称为高对比度光栅的纳米结构，这种结构具有惊人的行为，一些团队成员已经在10多年前发现了这种行为，尽管是为了另一种应用
一个高对比度的光栅由纳米大小的“柱子”组成，排成一行形成一种栅栏，防止光线逃逸
柱的直径为150纳米，并且以这样的方式间隔开，使得穿过柱的光与穿过柱之间的光相消干涉
破坏性干涉是一种众所周知的现象，通过这种现象，不同步振荡的波在空间的某一点相互抵消
它影响光，光是一种电磁波，就像它影响声音和其他类型的波一样
在这种情况下，相消干涉确保没有光可以通过光栅“泄漏”
相反，大部分光被反射回波导内部
国际商用机器公司的研究人员还表明，柱子本身对光的吸收是最小的
所有这些加在一起，波导内1毫米的光传播路径的损耗只有13%
相比之下，在没有光栅的纯硅波导中，只有百分之一的距离(10微米)，损耗将达到99
7%
精确光栅设计的模拟 从表面上看，高对比度光栅背后的基本思想看起来很简单
然而，当研究人员第一次发现他们可以阻止光被像硅这样的“黑暗”材料吸收时，确实令人惊讶
早在2010年，当他们第一次观察到光栅效应时，它发生在激光微腔中，这很有帮助，因为激光的光放大可以补偿损失
此外，他们让光线以几乎90度的角度照射光栅，这是光栅效果发挥作用的最佳点
但是，在没有激光增益的情况下，保持波导中的低损耗以及几乎掠入射光的情况要困难得多
为了确保他们的光栅设计符合任务要求，研究小组进行了模拟，展示了光在波导中的传播如何随着光栅尺寸的变化而变化
他们发现光栅可以有效地引导宽波段的光
他们所需要做的就是在光栅柱之间选择合适的间距，并使光栅柱本身在15纳米的精度范围内达到合适的厚度
使用标准的硅光子学制造工艺，这些要求被证明是可管理的
事实上，实验证实了模拟预测的可见光在550到650纳米范围内的低损耗
对光电路和其他方面的潜在好处 研究小组通过模拟发现了一些证据，证明这种设计不仅可以用来制作直波导，还可以引导光线绕过拐角
但是他们还没有进行实验来证实这个想法
即使证明可行，在这种情况下，仍需要进一步优化以保持较低的额外损失
展望未来，下一步将是设计光从波导到其他元件的有效耦合
这将是该团队多年探索性研究项目的关键一步，该项目的目标是将他们在2019年演示的全光晶体管集成到能够执行简单逻辑运算的集成电路中
该团队认为，他们的低损耗硅波导可以使新的光子芯片设计用于生物传感和其他依赖可见光的应用
它还可能有益于更高效的光学元件工程，如广泛用于电信的激光器和调制器
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