與電子一體化的巨大成功故事相反，光子集成技術還處于起步階段。它面臨的最嚴重的障礙之一是需要使用不同的材料來實現不同的功能，不像電子集成。更復雜的是，許多光子集成所需的材料與硅集成技術不兼容。

到目前為止，在光子電路中放置各種功能納米線，以達到所需的功能已經表明，雖然完全有可能，納米線往往太小，很難可有效地限制光。雖然較大的納米線可以提高光的限制和性能，但它增加了能源消耗和設備的體積，兩者對于設計集成器件時都被認為是“致命的”。

針對這一問題，日本NTT公司的一組研究人員提出了一種方法，該方法包括將亞波長納米線與光子晶體平臺相結合，他們本周在《應用物理學報》雜志上進行了相關報道。

折射率具有周期性調制的光子晶體人工結構是其工作的核心。

“一個較小部位的折射率調制的光子晶體產生的強烈的光限制，形成超高質量光學納米諧振器，”Masaya Notomi說，他是NTT基礎研究實驗室的一位杰出的科學家。“我們在我們進行的這項工作中充分利用了這一特點。”

早在2014年，這同一研究小組的研究就曾表明，利用放置在硅光子晶體中的直徑為100納米的納米線，可以很強烈地限制一個亞波長的光。當時，“這是約束機制的初步論證，但我們目前的工作，我們已經成功地證明了亞波長納米線器件在硅平臺的操作，也是通過使用這種方法，”Notomi說。

換句話說：當一個亞波長納米線不能成為一個具有強烈限制光本身的諧振器時，放置在光子晶體中時，它會導致產生光限制所需的折射率調制條件。

“在我們的工作中，我們精心準備了III-V族半導體納米線具有足夠大的光學增益并將它們放在一個具有槽結構的硅光子晶體，應用納米探針技術實現了一個光學的納米諧振器，”Masato Takiguchi說，他是該論文的主要作者，并和其它研究者工作在NTT基礎研究實驗室共同進行這項研究。“通過一系列仔細的刻畫，我們已經證明，這種亞波長納米線可以實現連續(xù)波激射振蕩和在10 Gbps的高速信號的調制。”

使用納米線激光器實現光子的集成，必須滿足三個基本要求。首先，納米線應該盡可能充分的小有效的實現光限制，保證一個超小的體積和能源消耗，Takiguchi說。其次，納米線激光器必須能夠產生高速信號。第三，激光波長應大于1.2微米，避免被硅基吸收，所以重要的是要創(chuàng)建子波長的納米線激光器在光通信波段，即1.3和1.55微米，能夠進行高速信號的調制。”

事實上，之前所研究的納米線激光器，其活動都是在波長小于0.9微米的，不能用于硅光子集成電路的脈沖激光，除示范比較厚的微米線激光器曾在1.55微米，Notomi說。這大概是因為材料增益較小，在較長的波長，這使得它很難在薄的納米線實現激射。

除此之外，“任何類型的納米線的高速調制的零演示已經實現，”他指出。這也是由于小增益體積。

“我們目前的工作中，我們通過結合納米線和硅光子晶體的解決這些問題，”Notomi說。“我們的研究結果是連續(xù)波激射振蕩的亞波長納米線的首次實現，以及是納米線激光器實現高速信號調制的首次實現”。

該研究小組能夠實現10 Gbps的調制，這是與傳統(tǒng)的，直接調制的高速激光用于光通信相媲美。

“這證明了納米線激光器顯示出信息處理特別是光子集成電路的有用前景，”Notomi說。

該研究小組目前的工作最有前途的應用是納米線為基礎的光子集成電路，他們將使用不同的納米線，以實現不同的功能，如激光，光電探測器和在硅光子集成電路中開關。

“預計配備片上的光子網絡處理器將在大約15年內實現，基于光子集成的納米線將是一個可能的解決方案，”Notomi說。

在激光方面，該研究小組的下一個目標是集成納米線到激光器輸入/輸出波導中。

“雖然這種整合是基于納米線的裝置的一個艱巨的任務，我們希望利用我們所研究的平臺這將是更容易的，因為在波導連接的光子晶體平臺本質上是優(yōu)越的，”Takiguchi說。“我們的目標是室溫電流驅動激射。”

該研究小組還計劃使用相同的技術來創(chuàng)建“除了激光器之外的光子器件，通過選擇不同的納米線的方式，”Takiguchi說。“我們要證明，我們能夠整合一些光子器件具有在同一個單一芯片上實現不同的功能。”