超构波导在纳米光学和集成光芯片中的应用

撰稿 | 孟鸢（清华大学）

说明 | 本文来自论文作者（课题组）投稿

超构表面一般由一系列光学散射体组成的阵列构成，是一种经过巧妙设计的人造电磁界面，可通过控制亚波长尺度下的微观结构来对电磁波的相位、偏振、传输等宏观特性进行灵活的控制，是当前的国际研究前沿。

此前人们的研究重点一般聚焦在超构表面对自由空间光场的调控和应用。但是，近年来已陆续涌现将超构表面等亚波长结构集成在各类光波导平台上，研发用于光信息处理、生化探测、传感、人工智能等应用的新型光电子器件。

与此同时，随着传统电子电路在带宽、损耗等方面的局限性日益凸显，使用光波作为信息的载体的光子集成电路以其高速、宽带、低损耗等突出优势，目前已成为国际研究的热点，光集成和光互连等概念也日渐发展为未来信息社会的关键技术之一。但是，目前光子集成电路仍然存在器件尺寸较大、效率较低、功能单一等挑战，其原因在于传统光波导在结构和材料等方面仍存在局限性。

如果将“超构光学”的概念与各类光波导平台相结合，将超构表面或超构材料集成在各类光波导结构上，则可以在亚波长尺度下对波导中的光信号进行灵活自由的调控，显著提升传统集成波导器件的性能指标、减小器件尺寸、并拓展应用范围、开发具有新型功能的多种光电子器件。

图1：超结构波导的分类

近期，来自清华大学、复旦大学、华中科技大学的科研团队，与美国宾夕法尼亚州立大学、意大利萨尼奥大学、美国斯坦福大学以及深圳大学的多位研究学者，以“Optical meta-waveguides for integrated photonics and beyond”为题，在 Light: Science & Applications上发表了以“超构波导器件”为主线的综述文章。

一、超结构波导的分类

超结构波导（meta-waveguide）一般指集成了具有特定功能性亚波长结构的、用于约束和引导电磁波在特定结构中传输的波导结构。

如果按照波导平台来分类，超结构波导可以被分为介质超结构波导、金属（或plasmonic型）超结构波导、以及超结构光纤（如图1左图所示）。

如果按照设计方法来分类，超结构波导可以通过正向设计法（即基于物理与经验的方法）来设计，也可以通过反向设计法（基于各类计算机优化算法）进行设计（如图1右图所示）。

如图2所示，对于正向设计的超结构波导，研究者一般从超构单元出发，先分析设计超结构阵列的特性，再将其与特定的波导平台相结合，对设计参数进行微调，进而设计出超结构波导器件。对于反向设计法而言，则一般先从希望实现的器件功能出发，然后确定目标函数，再借助计算机算法进行对其进行优化，最后获得对应的器件结构。

图2：超结构波导的两种设计方法

二、功能与应用

通过超结构波导这一平台，我们可以实现自由空间光场、波导光场（导模）、以及表面波模式之间的灵活耦合与转换。如图3所示，使用端面制作了亚波长结构的超构光纤可以实现例如光束整形、光信号调制、光纤探测、内窥成像等应用。

图3：形式多样的超结构波导器件

利用上表面集成了超构表面的介质光波导、反向设计的超材料波导等结构，可以实现多功能的光耦合、光探测、偏振/波长解复用、结构光激发、波导模式转化、片上光信号变换、光学神经网络、光路由等应用。

同时，亚波长超结构也是操控表面波即表面等离子体激元（SPP）的优异平台，可以灵活自由的实现SPP的激发、调控、与探测等功能。

三、超结构波导的特点

超结构波导具备功能性的亚波长结构，一般可以采用等效媒质的超构材料等理论进行分析。这些微纳结构可以充当米氏（Mie）谐振器或瑞利（Rayleigh）散射体的作用，在空间上形成特定的折射率分布进而对波导中传输的光场产生特定的功能性调制。

例如，波导表面上集成的相位梯度型超构表面可以提供一个由结构决定的等效动量，来补偿不同模式之间转换时的相位失配，进而可以实现不同模式之间的线性转换。同时，通过优化非线性光信号之间的空间交叠，超结构波导也可以实现非线性的模式转换等功能。

图4：超结构波导的特点

四、挑战与展望

形式多样，种类丰富的超结构波导为片上光信号的耦合、调控、与探测等功能设计注入了全新的自由度，将超构光学的研究进一步推进到了波导光学，将自由空间的光场操控延伸到了波导中的模式光场。

通过将亚波长超结构与波导技术相结合，一方面可以进一步提升光与人工材料结构相互作用的效率，进而提升传统器件的性能，减小器件尺寸；另一方面可以借由超构材料的平台以及反向设计的新型计算机设计方法来实现传统自然材料的波导难以实现的导光效应，研究新型物理现象，拓展传统波导器件的功能范围。

虽然在器件功能设计、带宽损耗、量化生产等方面还需要继续改进，但是可以预见超结构波导将有望革新集成光学，作为纳米光学、超构光学、与纳米科技等交叉领域的代表之一，为片上光信息处理、光互连、光通信，以及生化探测、成像、传感、人工智能等领域催生更多尺寸小、可调控、多功能的光电子器件。

图5：超构波导电路与多种超结构器件

论文信息：

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

来自清华大学的肖起榕副教授、复旦大学的孙树林教授、华中科技大学的张敏明教授为论文的共同通讯作者。清华大学的孟鸢博士、复旦大学的陈宜臻博士、华中科技大学的卢隆辉博士为论文的共同一作。论文的合作作者还包括美国宾夕法尼亚州立大学的丁一民博士、Xingjie Ni副教授，意大利萨尼奥大学的Andrea Cusano教授，美国斯坦福大学的Jonathan A. Fan副教授，华中科技大学的胡乔木、王凯元博士，深圳大学的谢振威助理教授、袁小聪教授，以及清华大学的刘洲天博士、杨原牧副教授、柳强教授和巩马理教授。

参考文献

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转载 | LightScienceApplications 公众号

本文编辑 | 赵阳

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