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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)過巧妙設(shè)計的人造電磁界面,可通過控制亞波長尺度下的微觀結(jié)構(gòu)來對電磁波的相位、偏振、傳輸?shù)群暧^特性進行靈活的控制,是當(dāng)前的國際研究前沿。 此前人們的研究重點一般聚焦在超構(gòu)表面對自由空間光場的調(diào)控和應(yīng)用。但是,近年來已陸續(xù)涌現(xiàn)將超構(gòu)表面等亞波長結(jié)構(gòu)集成在各類光波導(dǎo)平臺上,研發(fā)用于光信息處理、生化探測、傳感、人工智能等應(yīng)用的新型光電子器件。 與此同時,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,目前已成為國際研究的熱點,光集成和光互連等概念也日漸發(fā)展為未來信息社會的關(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,則可以在亞波長尺度下對波導(dǎo)中的光信號進行靈活自由的調(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,來自清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、華中科技大學(xué)的科研團隊,與美國賓夕法尼亞州立大學(xué)、意大利薩尼奧大學(xué)、美國斯坦福大學(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)平臺來分類,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)計方法來分類,超結(jié)構(gòu)波導(dǎo)可以通過正向設(shè)計法(即基于物理與經(jīng)驗的方法)來設(shè)計,也可以通過反向設(shè)計法(基于各類計算機優(yōu)化算法)進行設(shè)計(如圖1右圖所示)。 如圖2所示,對于正向設(shè)計的超結(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)計超結(jié)構(gòu)陣列的特性,再將其與特定的波導(dǎo)平臺相結(jié)合,對設(shè)計參數(shù)進行微調(diào),進而設(shè)計出超結(jié)構(gòu)波導(dǎo)器件。對于反向設(shè)計法而言,則一般先從希望實現(xiàn)的器件功能出發(fā),然后確定目標(biāo)函數(shù),再借助計算機算法進行對其進行優(yōu)化,最后獲得對應(yīng)的器件結(jié)構(gòu)。 圖2:超結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的兩種設(shè)計方法 二、功能與應(yīng)用 通過超結(jié)構(gòu)波導(dǎo)這一平臺,我們可以實現(xiàn)自由空間光場、波導(dǎo)光場(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結(jié)構(gòu)的超構(gòu)光纖可以實現(xiàn)例如光束整形、光信號調(diào)制、光纖探測、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)計的超材料波導(dǎo)等結(jié)構(gòu),可以實現(xiàn)多功能的光耦合、光探測、偏振/波長解復(fù)用、結(jié)構(gòu)光激發(fā)、波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)化、片上光信號變換、光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、光路由等應(yīng)用。 同時,亞波長超結(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,可以靈活自由的實現(xiàn)SPP的激發(fā)、調(diào)控、與探測等功能。 三、超結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的特點 超結(jié)構(gòu)波導(dǎo)具備功能性的亞波長結(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而對波導(dǎo)中傳輸?shù)墓鈭霎a(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)表面可以提供一個由結(jié)構(gòu)決定的等效動量,來補償不同模式之間轉(zhuǎn)換時的相位失配,進而可以實現(xiàn)不同模式之間的線性轉(zhuǎn)換。同時,通過優(yōu)化非線性光信號之間的空間交疊,超結(jié)構(gòu)波導(dǎo)也可以實現(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 四、挑戰(zhàn)與展望 形式多樣,種類豐富的超結(jié)構(gòu)波導(dǎo)為片上光信號的耦合、調(diào)控、與探測等功能設(shè)計注入了全新的自由度,將超構(gòu)光學(xué)的研究進一步推進到了波導(dǎo)光學(xué),將自由空間的光場操控延伸到了波導(dǎo)中的模式光場。 通過將亞波長超結(jié)構(gòu)與波導(dǎo)技術(shù)相結(jié)合,一方面可以進一步提升光與人工材料結(jié)構(gòu)相互作用的效率,進而提升傳統(tǒng)器件的性能,減小器件尺寸;另一方面可以借由超構(gòu)材料的平臺以及反向設(shè)計的新型計算機設(shè)計方法來實現(xiàn)傳統(tǒng)自然材料的波導(dǎo)難以實現(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、帶寬損耗、量化生產(chǎn)等方面還需要繼續(xù)改進,但是可以預(yù)見超結(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、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 |
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