微納光電子學(xué)研究微納結(jié)構(gòu)中物質(zhì)與光波/光子的相互作用，為光電子技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展提供了新的物理機(jī)制和實(shí)現(xiàn)手段。光與物質(zhì)之間的相互作用本質(zhì)上可以理解為各種基本粒子和準(zhǔn)粒子之間的相互作用，微納結(jié)構(gòu)可以操控聲子、表面等離基元等準(zhǔn)粒子的特性及其與光子、電子的相互作用，這種操控作用帶來(lái)的新物理促進(jìn)了新功能光電子芯片的出現(xiàn)。

　　微納結(jié)構(gòu)突破傳統(tǒng)光電子芯片基于束縛電子和光場(chǎng)相互作用的框架，使得自由電子也成為了光電子芯片的新角色。通過(guò)納米結(jié)構(gòu)或超材料，可以實(shí)現(xiàn)芯片上飛行電子、晶體中束縛電子、光子三者相互作用的新機(jī)制，為未來(lái)光電子芯片的發(fā)展開(kāi)辟了新途徑。

　　圍繞微納尺度下各種新結(jié)構(gòu)中光與物質(zhì)相互作用的新物理及其可實(shí)現(xiàn)的新功能，清華大學(xué)電子工程系微納光電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室黃翊東教授團(tuán)隊(duì)面向不同應(yīng)用領(lǐng)域成功研制出一系列新型光電子芯片。

　　自由電子輻射芯片

　　切倫科夫輻射(CR)是帶電粒子的運(yùn)動(dòng)速度大于電磁波在媒質(zhì)中相速度時(shí)所產(chǎn)生的輻射。基于該物理現(xiàn)象，科學(xué)家在基本粒子和物理規(guī)律的探索中獲得了重要突破，如反質(zhì)子、J粒子、中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)。

　　產(chǎn)生CR需要將帶電粒子加速到的速度。例如，在水中產(chǎn)生CR的電子速度需達(dá)到約真空光速的0.7倍，對(duì)應(yīng)電子能量為30萬(wàn)電子伏特。先前報(bào)道光頻段產(chǎn)生CR的最小電子能量仍需2萬(wàn)電子伏特。如何降低產(chǎn)生CR的電子能量閾值，是幾十年來(lái)一直未能突破的一個(gè)重大基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。

　　另一方面，自由電子激光光源在基礎(chǔ)物理、****、生物醫(yī)療、信息科學(xué)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。但自由電子光源通常需要龐大(幾米～數(shù)千米)的電子加速器才能產(chǎn)生光頻輻射，如何將自由電子光源實(shí)現(xiàn)在芯片上的集成，是器件物理的一大挑戰(zhàn)。

　　針對(duì)這一問(wèn)題，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出借助微納結(jié)構(gòu)雙曲超材料(hyperbolic matematerial，HMM)消除產(chǎn)生CR的電子速度閾值。超材料是一類(lèi)具有亞波長(zhǎng)微納結(jié)構(gòu)的新型人工電磁材料，可以突破傳統(tǒng)材料電磁特性的限制，對(duì)電磁波的傳播實(shí)現(xiàn)豐富的調(diào)控功能。

　　清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)研究表明，由于HMM可以支持波矢非常大的電磁模式，當(dāng)電子能量極小時(shí)自由電子周?chē)蟛ㄊ傅南艌?chǎng)仍然可以耦合到HMM中產(chǎn)生CR。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步突破芯片上超材料，電子發(fā)射源和散射光柵綜合集成的技術(shù)難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了芯片集成的自由電子光源并觀測(cè)到無(wú)閾值切倫科夫輻射現(xiàn)象。圖1是器件的原理圖和關(guān)鍵功能單元的電子顯微鏡照片。

　　圖1 芯片集成自由電子光源的原理圖和關(guān)鍵功能單元的電子顯微鏡照片

　　在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步深化結(jié)合微納結(jié)構(gòu)的自由電子輻射研究，實(shí)現(xiàn)了深紫外波段Smith-Purcell輻射，并理論研究了基于等離激元微腔的受激切倫科夫輻射。實(shí)驗(yàn)進(jìn)展表明，自由電子與微納結(jié)構(gòu)的相互作用可為實(shí)現(xiàn)自由電子光源的小型化和芯片集成提供有效途徑，具有廣闊的發(fā)展空間。

　　光/聲精密測(cè)量芯片

　　光子晶體是折射率在微納尺度發(fā)生周期性變化的人工光學(xué)材料。自1987年這一概念被E.Yablonovitch和S. John教授提出以來(lái)，光子晶體就因其對(duì)光波/光子的靈活調(diào)控能力受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。

　　人們發(fā)展出多種光子晶體結(jié)構(gòu)，利用其光子能帶結(jié)構(gòu)所的帶隙限制導(dǎo)波和微腔諧振等物理效應(yīng)，不僅可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光電子器件難以實(shí)現(xiàn)的許多新功能，還使超小型化的光子集成回路成為可能。

　　聲子晶體是周期結(jié)構(gòu)對(duì)波的調(diào)控作用在聲學(xué)領(lǐng)域的拓展。近年來(lái)，利用結(jié)構(gòu)周期性變化的人工聲學(xué)材料對(duì)聲波/聲子的傳播進(jìn)行靈活的調(diào)控，在學(xué)術(shù)研究上取得了豐富的研究進(jìn)展。

　　然而如何將光子/聲子晶體的新機(jī)理、新效應(yīng)應(yīng)用到實(shí)際器件中，并產(chǎn)生性的技術(shù)，是光子/聲子晶體研究發(fā)展了二十余年卻一直存在的瓶頸問(wèn)題。

　　清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)面向?qū)嶋H應(yīng)用需求，利用微納周期結(jié)構(gòu)對(duì)光子和聲子的調(diào)控發(fā)展出多種新型傳感和精密測(cè)量芯片。代表性工作是研制出基于微納超表面寬帶濾波的CMOS實(shí)時(shí)光譜成像芯片，如圖2所示。

　　圖2 基于微納超表面寬帶濾波的CMOS實(shí)時(shí)光譜成像芯片功能示意圖

　　CMOS實(shí)時(shí)光譜成像芯片通過(guò)周期性的微納超表面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)入射光光譜調(diào)制，將入射光的光譜信息編碼到圖像傳感器不同位置處的響應(yīng)上，然后通過(guò)算法恢復(fù)出入射光光譜。

　　該技術(shù)可以用少量的超表面結(jié)構(gòu)恢復(fù)出多個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)的光譜信息，從而實(shí)現(xiàn)高精度、大譜寬的實(shí)時(shí)光譜成像芯片，在衛(wèi)星遙感、消費(fèi)電子、環(huán)保監(jiān)測(cè)、機(jī)器視覺(jué)、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。

　　另一方面，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)納米臂光聲晶體微腔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高頻率窄線寬的聲子激射，還研制出基于光聲彈簧效應(yīng)的新型折射率傳感芯片。該芯片利用腔內(nèi)的光輻射壓增強(qiáng)聲學(xué)振動(dòng)提高折射率傳感的靈敏度，為實(shí)現(xiàn)高靈敏度的芯片集成折射率傳感器件提供了新的器件結(jié)構(gòu)和研究思路。

　　光學(xué)軌道角動(dòng)量輻射和接收芯片

　　人們很早就認(rèn)識(shí)到每個(gè)光子能夠攜帶線動(dòng)量，并且圓偏振的光波還可以攜帶自旋角動(dòng)量，這是光子的基本屬性。然而直到1992年，Allen 等人才發(fā)現(xiàn)具有角向相位分布的光波攜帶有軌道角動(dòng)量(Orbital Angular Momentum, OAM)。

　　在過(guò)去的二十年中，關(guān)于光學(xué)軌道角動(dòng)量的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用取得了相當(dāng)大的進(jìn)展：

　　由于光學(xué)軌道角動(dòng)量具有渦流狀電磁能量分布和環(huán)形光斑的光強(qiáng)分布特性，通過(guò)移動(dòng)光束達(dá)到移動(dòng)粒子的作用，這就是光鑷和光扳手;

　　由于攜帶軌道角動(dòng)量的光束具有螺旋形等相位面，可以用于高分辨率成像;

　　同時(shí)，由于軌道角動(dòng)量量子數(shù)是獨(dú)立于強(qiáng)度、相位和偏振態(tài)以外的光波自由度，并且軌道角動(dòng)量量子數(shù)原則上可以是-∞～+∞之間的任意整數(shù)，這就意味著利用光學(xué)軌道角動(dòng)量作為信息參量就可能實(shí)現(xiàn)高速、高維度、大容量的信息處理。

　　但是，利用傳統(tǒng)光學(xué)器件產(chǎn)生光學(xué)軌道角動(dòng)量的方式具有體積大、系統(tǒng)復(fù)雜并且響應(yīng)速度慢、調(diào)節(jié)范圍有限等缺點(diǎn)。

　　在2012年，英國(guó)布里斯托大學(xué)，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校以及清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)三者幾乎同時(shí)開(kāi)展了集成型光學(xué)軌道角動(dòng)量器件的研究。清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)研制的器件是通過(guò)在微環(huán)腔中均勻分布的下載波導(dǎo)，對(duì)環(huán)腔中諧振波長(zhǎng)的光波在空間上均勻采樣，從而產(chǎn)生與下載波導(dǎo)數(shù)目以及回音壁模式階次相關(guān)的特定相位分布。進(jìn)一步通過(guò)下載波導(dǎo)末端的光柵就可以將微環(huán)腔中的光波散射到自由空間中形成OAM輻射模式。

　　圖3是是清華大學(xué)所研制器件的原理示意圖和樣品照片。該方案的特點(diǎn)是在實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量OAM光束芯片產(chǎn)生的同時(shí)，提供了高維OAM階次調(diào)控的能力，目前已實(shí)現(xiàn)21階的OAM光束片上動(dòng)態(tài)電調(diào)控。

　　圖3 集成OAM發(fā)射器清華大學(xué)方案的原理示意圖和器件樣品照片

　　進(jìn)一步，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)將研究工作拓展到表面等離子激元軌道角動(dòng)量器件以及軌道角動(dòng)量探測(cè)和分類(lèi)器件等方向，研制出多種新型光電芯片支持OAM光束產(chǎn)生和操控功能的集成化。

　　光量子態(tài)產(chǎn)生，操控和探測(cè)芯片

　　量子信息是經(jīng)典信息論與量子力學(xué)相結(jié)合的新興交叉學(xué)科,是信息科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域具有戰(zhàn)略意義的研究方向。經(jīng)過(guò)近三十年的研究，多種量子信息功能已得到實(shí)現(xiàn)，其中量子光學(xué)的研究引起了人們特別的關(guān)注。

　　在光量子信息處理方面，盡管多種量子信息單元功能得到原理驗(yàn)證，然而具有實(shí)用意義的量子信息處理系統(tǒng)仍需要至少幾十個(gè)量子比特，目前在實(shí)驗(yàn)室中普遍采用的自由空間光學(xué)技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)如此規(guī)模的光量子信息系統(tǒng)。利用光量子芯片將大量光子器件穩(wěn)定集成在一起是提升光量子信息處理系統(tǒng)規(guī)模的重要途徑。

　　另一方面，以量子密鑰分配(QKD)為基礎(chǔ)的量子保密通信技術(shù)已完成原理論證，進(jìn)入實(shí)用化推廣階段。然而目前相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備主要由分立器件實(shí)現(xiàn)，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)的量子通信功能芯片集成化需求日益迫切。

　　清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)采用硅光子集成技術(shù)發(fā)展光量子芯片(圖4)。首先，利用硅波導(dǎo)中的自發(fā)四波混頻發(fā)展芯片集成的量子光源。微納尺度的硅波導(dǎo)具有非常高的三階光學(xué)非線性系數(shù)，采用幾毫米長(zhǎng)的硅波導(dǎo)即可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的雙光子量子態(tài)產(chǎn)生。通過(guò)引入微腔諧振效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)光學(xué)非線性，則可以把量子光源尺寸進(jìn)一步縮減到亞毫米量級(jí)。將片上量子光源陣列化并引入片上干涉儀等光量子態(tài)操控手段，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了硅光量子芯片上復(fù)雜光量子態(tài)的產(chǎn)生和動(dòng)態(tài)操控。

　　圖4 硅光量子芯片樣品照片

　　進(jìn)一步，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)和中科院上海微系統(tǒng)所合作，發(fā)展出了在硅波導(dǎo)上制備超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器的技術(shù)。這些工作表明硅光量子芯片具有實(shí)現(xiàn)光量子信息功能綜合集成的巨大潛力。

　　發(fā)展硅光量子芯片器件技術(shù)的同時(shí)，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)將硅波導(dǎo)集成的量子光源應(yīng)用于時(shí)域量子鬼成像和大規(guī)模量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)應(yīng)用中，充分展現(xiàn)了硅光量子芯片作為未來(lái)光量子信息技術(shù)重要支撐器件具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　總結(jié)

　　微納結(jié)構(gòu)光與物質(zhì)相互作用的新物理為突破現(xiàn)有光電子器件的技術(shù)瓶頸提供了新機(jī)理和新途徑。基于此，清華大學(xué)黃翊東教授團(tuán)隊(duì)面向不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求發(fā)展出具有自由電子輻射、實(shí)時(shí)光譜成像、聲子激射傳感、軌道角動(dòng)量發(fā)射/分束/接收、以及量子態(tài)產(chǎn)生及操控等。

　　參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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