扭轉光線，實現大容量數據傳輸

計算機芯片上的微小齒輪會產生光渦流，從而促進光學計算

研究人員首次使用由鍺制成的微小齒輪來產生扭曲的光漩渦，使其繞著傳播軸旋轉，就像開塞鉆一樣。由于鍺與用于制造計算機芯片的硅相兼容，這種新型光源可以用來增加可通過基于芯片的光學計算和通信傳輸的數據量。研究人員來自英國南安普敦大學日本東京大學(University of Tokyo)、豐橋科技大學(Toyohashi University of Technology)和日立公司(Hitachi Ltd.)都在《光學快報》(Optical Express)期刊上介紹了光學學會(OSA)的新型發光齒輪。半徑在1微米或更小的情況下，25萬個齒輪可以裝入1平方毫米的電腦芯片中。

由于其在通信和計算方面的優勢，人們對產生扭曲的或具有軌道角動量的光非常感興趣。今天，光被用來通過改變光子發射的數量或在光的兩種偏振態之間切換來攜帶信息。使用twisted light，每個twist可以表示不同的值或字母，允許使用較少的光照編碼更多的信息。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建集成光學電路所需的最后一個組件。”這些微小的基于光學的電路使用扭曲的光來傳輸大量的數據。

利用應變改善光發射

硅是制造計算機芯片和相關元件的常用材料，但要在硅上制造出一種可用的微型化光源是不可能的，因為這種材料的特性導致了低的發光效率。鍺雖然有類似的局限性，但通過拉伸施加應變可以提高其發光效率。“以前，用于鍺的應變不夠大，不能在不降解材料的情況下有效地產生光，”阿蒂利說。“我們新的微齒輪設計有助于克服這一挑戰。”

新設計的特點是，微齒輪的邊緣是獨立的，因此它們可以被沉積在結構上的氧化膜拉伸。這樣就可以在不破壞鍺晶體結構的情況下施加拉伸應變。齒輪安裝在硅基座上，硅基座將齒輪連接到硅基板的頂部，并允許在運行過程中散熱。

為了展示他們的新設計，研究人員使用電子束光刻技術制造出了構成齒輪齒的非常精細的物理特征。然后他們用標準的綠色激光照射齒輪，這種激光不會發出扭曲的光。當微齒輪吸收了綠光后，它會產生自己的光子，這些光子在齒輪的邊緣循環，形成扭曲的光，通過周期性的齒輪垂直地反射出去。

精密光學模擬

研究人員通過計算機模擬來測試和調整他們的設計，模擬光在齒輪中的傳播方式超過納秒甚至更短的時間。通過與計算機模擬結果的對比，可以確定齒輪產生了扭曲的光。“我們可以精確地設計我們的設備來控制每傳播波長的旋轉數和發射光的波長，”Al-Attili說。

研究人員正在努力進一步提高鍺微齒輪的發光效率。如果成功，這項技術將使將數千束激光集成到硅片上傳輸信息成為可能。Al-Attili說:“用來制造電子設備的硅制造技術現在可以應用于制造各種光學設備。”“我們的微齒輪只是一個例子，這些能力可以用來制造納米和微尺度的設備。”