如何以最有效的方式控制波导中传播的光？
由应用物理助理教授Nanofang Yu率领的哥伦比亚工程研究团队发明了一种通过使用纳米天线来高效率地控制在狭窄路径或波导中传播的光的方法。为了演示这种技术，他们构建了光子集成器件，不仅具有创纪录的小尺寸，而且还能够在前所未有的广泛波长范围内保持最佳性能。
在其中一个臂上，入射的波导基模（在波导截面上模场只有一瓣）转化为二阶模式（在波导截面上模场分为两瓣），而在另一臂上，入射的波导基模被转换成强表面波，可用于片上化学与生物传感。
光子集成电路（IC）基于在光波导中传播的光，并且控制这种光传播是构建这些芯片的核心问题，其使用光而不是电子来传输数据。Yu的方法可以导致更快，更强大，更高效的光学芯片，从而可以转换光通信和光信号处理。该研究发表在了4月17日的《自然*纳米技术》杂志上。
“我们已经建成了具有最小占地面积和最大工作带宽的集成纳米光子器件。”Yu说。“我们现在可以在纳米天线的帮助下减小光子集成器件的尺寸的程度，与20世纪50年代大型真空管被更小的半导体晶体管替代的情况类似，这项工作为基本的科学问题提供了一个革命性的解决方案：如何以最有效的方式控制波导中传播的光？
沿波导传播的光波的光功率被限制在波导的核心内：研究人员只能通过波导表面附近存在的小的渐逝“尾迹”访问导波。这些难以捉摸的导波特别难以操纵，因此光子集成器件的尺寸往往较大，占用空间，从而限制了芯片的器件集成密度。缩小的光子集成器件是研究人员旨在克服的主要挑战，反映了遵循摩尔定律的电子学的历史进展，电子IC中的晶体管数量大约每两年翻一番。
Yu的团队发现，在波导管中控制光的最有效的方法是用光学纳米天线“装饰”波导：这些微型天线从波导芯内部拉光，修改光的性质，并将光释放回波导。密集堆叠的纳米天线阵列的累积效应如此之强，使得它们可以在不超过两倍波长的传播距离内实现诸如波导模式转换的功能。
“这是一个突破，考虑到实现波导模式转换的传统方法需要长度为数百倍波长的器件。”Yu说。“我们已经能够将设备的尺寸减小10到100倍。”
Yu的团队创建了可将某一波导模式转换为另一波导模式的波导模式转换器；这些被称为“模分复用”（MDM）技术的关键推动因素。光波导可以支持基本波导模式和一组高阶模式，吉他弦可以支持一个基本音调和其谐波相同的方式。MDM是大幅度增加光学芯片的信息处理能力的策略：可以使用相同颜色的光，但是可以使用几种不同的波导模式，通过相同的波导同时传输几个独立的信道。“这种效果就像是，乔治华盛顿大桥神奇地拥有处理更多交通流量的能力。”Yu解释说。“我们的波导模式转换器可以创建更多的电容信息通路。”
他计划接下来将积极的可调谐光学材料纳入光子集成器件，以实现波导中传播的光的主动控制。这样的有源设备将是增强现实（AR）眼镜的基本构件，首先确定佩戴者的眼睛像差，然后将畸变校正图像投影到眼睛中——他和他的哥伦比亚工程部的同事，Michal Lipson教授，Alex Gaeta，Demetri Basov，Jim Hone和Harish Krishnaswamy正在努力。Yu还在探索将波导中传播的波转换成强表面波，最终可用于片上化学和生物传感。
