图1  Ge微型齿轮。(a)微型齿轮结构的俯视图示意图，该示意图显示了齿轮的设计参数，即内部半径(Rin)、外部半径(Rout)和周期数(m)。(b)干法蚀刻后的Ge微型齿轮光学显微镜(OM)图像。在齿轮区域可以看到可见光模式。(c)聚焦离子束(FIB)图像显示了Ge微型齿轮的鸟瞰图，微型齿轮由埋地(底部)SiO2和等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)SiO2(顶部)封装在硅柱上。(d) Ge微齿轮扫描电镜(SEM)侧视图。由于TMAH刻蚀的各向异性，硅柱呈明显的金字塔状。晶圆片的结晶方向标注在右下角。来源：光学快报(2018)。

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，使光绕着其传播方向轴旋转，就像螺旋形一样。由于锗与用于制造计算机芯片的硅兼容，所以这种新的光源可以用来增加基于芯片的光学计算和通信传输的数据量。

来自英国南安普敦大学、日本东京大学(University ofTokyo)、东桥工业大学(Toyohashi University of Technology)和日立公司(Hitachi Ltd.)的研究人员在美国光学学会的《光学快报》(OpticsExpress)杂志上描述了这种新型发光齿轮。这种微型齿轮半径只有1微米或更小，1平方毫米的计算机芯片内可以压缩25万个这样的微型齿轮。

由于其在通信和计算方面的优势，人们对产生扭曲、或具有光束轨道角动量的光非常感兴趣。现在，人们通过改变发射光子的数量，或者使光在两种偏振态之间切换来利用光携带信息。但如果使用扭曲的光的话，光的每个扭曲都可以表示不同的值或字母，这样我们就可以用更少的光来携带更多的信息。

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。这些微小的光学电路可以使用扭曲光来传输大量的数据。”

利用材料张力来改善发光

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在此前是不可能的，因为硅这种材料的特性导致了发光效率低下。虽然锗也有类似的局限性，但通过对锗拉伸施加张力可以提高其发光效率。

Al-Attili说：“以前，可以对锗施加的张力不够大，不能在不降解材料的情况下有效地发光，但我们新的微型齿轮设计有助于克服这个挑战。”

微型齿轮新设计的特点是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对锗施加拉伸张力。微型齿轮安装在硅基座上，硅基座再将齿轮连接到硅基板的顶部，使其在工作过程中能够散热。

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尺寸。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)。微型齿轮在吸收了绿光后，它会产生自己的光子，这些光子会在齿轮边缘循环，形成扭曲的光，随后由周期性的齿轮向外垂直反射。

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，计算机模拟在纳秒甚至更短的时间内，光在齿轮中的传播方式。通过将原型机的发射光与计算机的模拟结果进行比较，他们能够确认齿轮确实产生了扭曲光。

“我们可以精确地设计我们的设备来控制每个传播波长的旋转次数和发光的波长，”Al-Attili说。

研究人员现在正致力于进一步提高锗微型齿轮的发光效率。如果成功的话，这项技术将有可能将数千束激光集成在一块小小的硅芯片上以传输信息。

他说：“过去用于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。我们的微型齿轮仅仅只是这些功能可以如何被用来制造纳米和微尺度设备的一个例子。”