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，為未來光電子芯片的發(fā)展開辟了新途徑。

　　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)動速度大于電磁波在媒質(zhì)中相速度時(shí)所產(chǎn)生的輻射?；谠撐锢憩F(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，對應(yīng)電子能量為30萬電子伏特。先前報(bào)道光頻段產(chǎn)生CR的最小電子能量仍需2萬電子伏特。如何降低產(chǎn)生CR的電子能量閾值，是幾十年來一直未能突破的一個(gè)重大基礎(chǔ)科學(xué)問題。

　　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)。

　　針對這一問題，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。超材料是一類具有亞波長微納結(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)自由電子周圍大波矢的消逝場仍然可以耦合到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到無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，光子晶體就因其對光波/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)對波的調(diào)控作用在聲學(xué)領(lǐng)域的拓展。近年來，利用結(jié)構(gòu)周期性變化的人工聲學(xué)材料對聲波/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)對光子和聲子的調(diào)控發(fā)展出多種新型傳感和精密測量芯片。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、機(jī)器視覺、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)軌道角動量輻射和接收芯片

　　人們很早就認(rèn)識到每個(gè)光子能夠攜帶線動量，并且圓偏振的光波還可以攜帶自旋角動量，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量(Orbital Angular Momentum, OAM)。

　　在過去的二十年中，關(guān)于光學(xué)軌道角動量的基礎(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，通過移動光束達(dá)到移動粒子的作用，這就是光鑷和光扳手;

　　由于攜帶軌道角動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，英國布里斯托大學(xué)，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合美國加州大學(xué)戴維斯分校以及清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)三者幾乎同時(shí)開展了集成型光學(xué)軌道角動量器件的研究。清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)研制的器件是通過在微環(huán)腔中均勻分布的下載波導(dǎo)，對環(huán)腔中諧振波長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量器件以及軌道角動量探測和分類器件等方向，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。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)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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