计算机芯片上的微小齿轮会产生光涡流，从而促进光学计算

扭转光线，实现大容量数据传输

计算机芯片上的微小齿轮会产生光涡流，从而促进光学计算

研究人员首次使用由锗制成的微小齿轮来产生扭曲的光漩涡，使其绕着传播轴旋转，就像开塞钻一样。由于锗与用于制造计算机芯片的硅相兼容，这种新型光源可以用来增加可通过基于芯片的光学计算和通信传输的数据量。研究人员来自英国南安普敦大学日本东京大学(University of Tokyo)、丰桥科技大学(Toyohashi University of Technology)和日立公司(Hitachi Ltd.)都在《光学快报》(Optical Express)期刊上介绍了光学学会(OSA)的新型发光齿轮。半径在1微米或更小的情况下，25万个齿轮可以装入1平方毫米的电脑芯片中。

由于其在通信和计算方面的优势，人们对产生扭曲的或具有轨道角动量的光非常感兴趣。今天，光被用来通过改变光子发射的数量或在光的两种偏振态之间切换来携带信息。使用twisted light，每个twist可以表示不同的值或字母，允许使用较少的光照编码更多的信息。南安普敦大学的Abdelrahman Al-Attili是这篇论文的第一作者，他说:“我们的新型微齿轮具有在硅基板上集成激光器的潜力，硅基板是在计算机上创建集成光学电路所需的最后一个组件。”这些微小的基于光学的电路使用扭曲的光来传输大量的数据。

利用应变改善光发射

硅是制造计算机芯片和相关元件的常用材料，但要在硅上制造出一种可用的微型化光源是不可能的，因为这种材料的特性导致了低的发光效率。锗虽然有类似的局限性，但通过拉伸施加应变可以提高其发光效率。“以前，用于锗的应变不够大，不能在不降解材料的情况下有效地产生光，”阿蒂利说。“我们新的微齿轮设计有助于克服这一挑战。”

新设计的特点是，微齿轮的边缘是独立的，因此它们可以被沉积在结构上的氧化膜拉伸。这样就可以在不破坏锗晶体结构的情况下施加拉伸应变。齿轮安装在硅基座上，硅基座将齿轮连接到硅基板的顶部，并允许在运行过程中散热。

为了展示他们的新设计，研究人员使用电子束光刻技术制造出了构成齿轮齿的非常精细的物理特征。然后他们用标准的绿色激光照射齿轮，这种激光不会发出扭曲的光。当微齿轮吸收了绿光后，它会产生自己的光子，这些光子在齿轮的边缘循环，形成扭曲的光，通过周期性的齿轮垂直地反射出去。

精密光学模拟

研究人员通过计算机模拟来测试和调整他们的设计，模拟光在齿轮中的传播方式超过纳秒甚至更短的时间。通过与计算机模拟结果的对比，可以确定齿轮产生了扭曲的光。“我们可以精确地设计我们的设备来控制每传播波长的旋转数和发射光的波长，”Al-Attili说。

研究人员正在努力进一步提高锗微齿轮的发光效率。如果成功，这项技术将使将数千束激光集成到硅片上传输信息成为可能。Al-Attili说:“用来制造电子设备的硅制造技术现在可以应用于制造各种光学设备。”“我们的微齿轮只是一个例子，这些能力可以用来制造纳米和微尺度的设备。”