几十年来，以光纤作为波导，以光线作为信号载体，传递语音信号或者数据的光纤通信技术始终是电信行业的主流。
但是想要将这一系统中各个部分的尺寸减小，从而将其集成到微型芯片中，一直都面临着巨大的技术难关。如果我们能实现芯片内部的光纤通信，那么集成电路中的数据信号传输就不再是依赖于互连线中的电子，而是互连光纤中的光子。现在，来自德国卡尔斯鲁厄技术研究所（Karlsruhe Institute of Technology，KIT)的研究人员成功解决了将集成电路转化为光子集成电路的设想中的一个关键问题，即制造出纳米尺度的光子发射器，这样的装置，不仅能发出光子，还应该具备可控的光学特性，使其能够简便地集成到微型芯片上。
这一解决方案主要是基于可以电致发光的碳纳米管（carbon nanotube，CNT）。碳纳米管体积很小，不会在纳米波导结构中占据过多的空间，同时，之前的研究已经证明碳纳米管可以将施加的电信号，转变为相应的准确清晰的光信号。把碳纳米管淀积在波导结构上，就可以作为光通信系统中的光源，根据不同的电压信号，发出不同频率、振幅、相位的光信号。
他们的研究成果发表在《自然·光子学》（Nature Photonics）杂志，研究人员采用一种叫做介电电泳（dielectrophoresis）的新方法，将发光碳纳米管集成到波导结构中，这种技术之前通常在生物学研究中用来把纳米颗粒沉积到载体材料上。这一工艺利用了可极化颗粒在非均匀电场中产生的作用力。在电场作用下，颗粒会被极化，因为电场在空间中非均匀分布，颗粒的不同部分受到不同程度的极化，就形成了某一方向上力的不平衡，从而导致颗粒固定方向的漂移运动。这个方法使得研究人员可以控制碳纳米管的运动并将它们平行沉积到多器件结构中。
碳纳米管沉积步骤完成后，传输它们所发出的光信号的纳米波导结构则由电子束光刻（electron beam lithography，EBL）实现。
“把这个方案中碳纳米管的特性和光子晶体结合在一起，这一技术就对我们目前的科学研究有了实际的意义。”来自KIT的Ralph Krupke在与IEEE Spectrum的邮件采访中提到，“这些电致发光的碳纳米管体积很小，占据的面积也很小，可以集成到一个光子晶体结构中。”
Krupke补充道，光子晶体可用于光子工程，即可以将碳纳米管发出的光进行带隙处理，只选择很窄的波长范围内的光信号出射。这一技术可能为制造CMOS工艺兼容的片上准单色光源提供了一个潜在的方案。
基于这样的研究发展态势，KIT的研究人员们相信他们已经成功制造出的电光信号转换器件，可以应用于下一代计算机中，未来的集成电路，将利用光子而非电子来传输信号。他们的器件，可以在千兆赫兹（gigahertz，GHz）的工作频率下，将电信号转化为光信号。
Krupke还提到，“我们的下一个目标是把这个新的发光器件结构集成到更复杂的器件电路结构中，比如片上探测器，而我们最终将搭建一个完整的足以取代传统集成电路的光子集成电路。”
翻译：刘卓 审稿：赵昌昊
原文地址：http://spectrum.ieee.org/nanocla ... ed-photonic-circuit
纳米管照亮光子集成之路
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