超構(gòu)波導(dǎo)在納米光學(xué)和集成光芯片中的應(yīng)用

撰稿 | 孟鳶（清華大學(xué)）

說(shuō)明 | 本文來(lái)自論文作者（課題組）投稿

超構(gòu)表面一般由一系列光學(xué)散射體組成的陣列構(gòu)成，是一種經(jīng)過(guò)巧妙設(shè)計(jì)的人造電磁界面，可通過(guò)控制亞波長(zhǎng)尺度下的微觀結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)電磁波的相位、偏振、傳輸?shù)群暧^特性進(jìn)行靈活的控制，是當(dāng)前的國(guó)際研究前沿。

此前人們的研究重點(diǎn)一般聚焦在超構(gòu)表面對(duì)自由空間光場(chǎng)的調(diào)控和應(yīng)用。但是，近年來(lái)已陸續(xù)涌現(xiàn)將超構(gòu)表面等亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)集成在各類光波導(dǎo)平臺(tái)上，研發(fā)用于光信息處理、生化探測(cè)、傳感、人工智能等應(yīng)用的新型光電子器件。

與此同時(shí)，隨著傳統(tǒng)電子電路在帶寬、損耗等方面的局限性日益凸顯，使用光波作為信息的載體的光子集成電路以其高速、寬帶、低損耗等突出優(yōu)勢(shì)，目前已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)，光集成和光互連等概念也日漸發(fā)展為未來(lái)信息社會(huì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。但是，目前光子集成電路仍然存在器件尺寸較大、效率較低、功能單一等挑戰(zhàn)，其原因在于傳統(tǒng)光波導(dǎo)在結(jié)構(gòu)和材料等方面仍存在局限性。

如果將“超構(gòu)光學(xué)”的概念與各類光波導(dǎo)平臺(tái)相結(jié)合，將超構(gòu)表面或超構(gòu)材料集成在各類光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上，則可以在亞波長(zhǎng)尺度下對(duì)波導(dǎo)中的光信號(hào)進(jìn)行靈活自由的調(diào)控，顯著提升傳統(tǒng)集成波導(dǎo)器件的性能指標(biāo)、減小器件尺寸、并拓展應(yīng)用范圍、開(kāi)發(fā)具有新型功能的多種光電子器件。

圖1：超結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的分類

近期，來(lái)自清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、華中科技大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)，與美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)、意大利薩尼奧大學(xué)、美國(guó)斯坦福大學(xué)以及深圳大學(xué)的多位研究學(xué)者，以“Optical meta-waveguides for integrated photonics and beyond”為題，在 Light: Science & Applications上發(fā)表了以“超構(gòu)波導(dǎo)器件”為主線的綜述文章。

一、超結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的分類

超結(jié)構(gòu)波導(dǎo)（meta-waveguide）一般指集成了具有特定功能性亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的、用于約束和引導(dǎo)電磁波在特定結(jié)構(gòu)中傳輸?shù)牟▽?dǎo)結(jié)構(gòu)。

如果按照波導(dǎo)平臺(tái)來(lái)分類，超結(jié)構(gòu)波導(dǎo)可以被分為介質(zhì)超結(jié)構(gòu)波導(dǎo)、金屬（或plasmonic型）超結(jié)構(gòu)波導(dǎo)、以及超結(jié)構(gòu)光纖（如圖1左圖所示）。

如果按照設(shè)計(jì)方法來(lái)分類，超結(jié)構(gòu)波導(dǎo)可以通過(guò)正向設(shè)計(jì)法（即基于物理與經(jīng)驗(yàn)的方法）來(lái)設(shè)計(jì)，也可以通過(guò)反向設(shè)計(jì)法（基于各類計(jì)算機(jī)優(yōu)化算法）進(jìn)行設(shè)計(jì)（如圖1右圖所示）。

如圖2所示，對(duì)于正向設(shè)計(jì)的超結(jié)構(gòu)波導(dǎo)，研究者一般從超構(gòu)單元出發(fā)，先分析設(shè)計(jì)超結(jié)構(gòu)陣列的特性，再將其與特定的波導(dǎo)平臺(tái)相結(jié)合，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，進(jìn)而設(shè)計(jì)出超結(jié)構(gòu)波導(dǎo)器件。對(duì)于反向設(shè)計(jì)法而言，則一般先從希望實(shí)現(xiàn)的器件功能出發(fā)，然后確定目標(biāo)函數(shù)，再借助計(jì)算機(jī)算法進(jìn)行對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，最后獲得對(duì)應(yīng)的器件結(jié)構(gòu)。

圖2：超結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的兩種設(shè)計(jì)方法

二、功能與應(yīng)用

通過(guò)超結(jié)構(gòu)波導(dǎo)這一平臺(tái)，我們可以實(shí)現(xiàn)自由空間光場(chǎng)、波導(dǎo)光場(chǎng)（導(dǎo)模）、以及表面波模式之間的靈活耦合與轉(zhuǎn)換。如圖3所示，使用端面制作了亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的超構(gòu)光纖可以實(shí)現(xiàn)例如光束整形、光信號(hào)調(diào)制、光纖探測(cè)、內(nèi)窺成像等應(yīng)用。

圖3：形式多樣的超結(jié)構(gòu)波導(dǎo)器件

利用上表面集成了超構(gòu)表面的介質(zhì)光波導(dǎo)、反向設(shè)計(jì)的超材料波導(dǎo)等結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)多功能的光耦合、光探測(cè)、偏振/波長(zhǎng)解復(fù)用、結(jié)構(gòu)光激發(fā)、波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)化、片上光信號(hào)變換、光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、光路由等應(yīng)用。

同時(shí)，亞波長(zhǎng)超結(jié)構(gòu)也是操控表面波即表面等離子體激元（SPP）的優(yōu)異平臺(tái)，可以靈活自由的實(shí)現(xiàn)SPP的激發(fā)、調(diào)控、與探測(cè)等功能。

三、超結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的特點(diǎn)

超結(jié)構(gòu)波導(dǎo)具備功能性的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，一般可以采用等效媒質(zhì)的超構(gòu)材料等理論進(jìn)行分析。這些微納結(jié)構(gòu)可以充當(dāng)米氏（Mie）諧振器或瑞利（Rayleigh）散射體的作用，在空間上形成特定的折射率分布進(jìn)而對(duì)波導(dǎo)中傳輸?shù)墓鈭?chǎng)產(chǎn)生特定的功能性調(diào)制。

例如，波導(dǎo)表面上集成的相位梯度型超構(gòu)表面可以提供一個(gè)由結(jié)構(gòu)決定的等效動(dòng)量，來(lái)補(bǔ)償不同模式之間轉(zhuǎn)換時(shí)的相位失配，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)不同模式之間的線性轉(zhuǎn)換。同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化非線性光信號(hào)之間的空間交疊，超結(jié)構(gòu)波導(dǎo)也可以實(shí)現(xiàn)非線性的模式轉(zhuǎn)換等功能。

圖4：超結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的特點(diǎn)

四、挑戰(zhàn)與展望

形式多樣，種類豐富的超結(jié)構(gòu)波導(dǎo)為片上光信號(hào)的耦合、調(diào)控、與探測(cè)等功能設(shè)計(jì)注入了全新的自由度，將超構(gòu)光學(xué)的研究進(jìn)一步推進(jìn)到了波導(dǎo)光學(xué)，將自由空間的光場(chǎng)操控延伸到了波導(dǎo)中的模式光場(chǎng)。

通過(guò)將亞波長(zhǎng)超結(jié)構(gòu)與波導(dǎo)技術(shù)相結(jié)合，一方面可以進(jìn)一步提升光與人工材料結(jié)構(gòu)相互作用的效率，進(jìn)而提升傳統(tǒng)器件的性能，減小器件尺寸；另一方面可以借由超構(gòu)材料的平臺(tái)以及反向設(shè)計(jì)的新型計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)自然材料的波導(dǎo)難以實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)光效應(yīng)，研究新型物理現(xiàn)象，拓展傳統(tǒng)波導(dǎo)器件的功能范圍。

雖然在器件功能設(shè)計(jì)、帶寬損耗、量化生產(chǎn)等方面還需要繼續(xù)改進(jìn)，但是可以預(yù)見(jiàn)超結(jié)構(gòu)波導(dǎo)將有望革新集成光學(xué)，作為納米光學(xué)、超構(gòu)光學(xué)、與納米科技等交叉領(lǐng)域的代表之一，為片上光信息處理、光互連、光通信，以及生化探測(cè)、成像、傳感、人工智能等領(lǐng)域催生更多尺寸小、可調(diào)控、多功能的光電子器件。

圖5：超構(gòu)波導(dǎo)電路與多種超結(jié)構(gòu)器件

論文信息：

Meng, Y., Chen, Y., Lu, L. et al. Optical meta-waveguides for integrated photonics and beyond. Light Sci Appl 10, 235 (2021)

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00655-x

來(lái)自清華大學(xué)的肖起榕副教授、復(fù)旦大學(xué)的孫樹(shù)林教授、華中科技大學(xué)的張敏明教授為論文的共同通訊作者。清華大學(xué)的孟鳶博士、復(fù)旦大學(xué)的陳宜臻博士、華中科技大學(xué)的盧隆輝博士為論文的共同一作。論文的合作作者還包括美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)的丁一民博士、Xingjie Ni副教授，意大利薩尼奧大學(xué)的Andrea Cusano教授，美國(guó)斯坦福大學(xué)的Jonathan A. Fan副教授，華中科技大學(xué)的胡喬木、王凱元博士，深圳大學(xué)的謝振威助理教授、袁小聰教授，以及清華大學(xué)的劉洲天博士、楊原牧副教授、柳強(qiáng)教授和鞏馬理教授。

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轉(zhuǎn)載 | LightScienceApplications 公眾號(hào)

本文編輯 | 趙陽(yáng)

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