微納光電子學研究微納結構中物質與光波/光子的相互作用，為光電子技術的創(chuàng)新發(fā)展提供了新的物理機制和實現(xiàn)手段。光與物質之間的相互作用本質上可以理解為各種基本粒子和準粒子之間的相互作用，微納結構可以操控聲子、表面等離基元等準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了新功能光電子芯片的出現(xiàn)。

　　微納結構突破傳統(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。通過納米結構或超材料，可以實現(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構中光與物質相互作用的新物理及其可實現(xiàn)的新功能，清華大學電子工程系微納光電子學實驗室黃翊東教授團隊面向不同應用領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)是帶電粒子的運動速度大于電磁波在媒質中相速度時所產(chǎn)生的輻射。基于該物理現(xiàn)象，科學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的電子速度需達到約真空光速的0.7倍，對應電子能量為30萬電子伏特。先前報道光頻段產(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重大基礎科學問題。

　　另一方面，自由電子激光光源在基礎物理、****、生物醫(yī)療、信息科學等領域具有重要應用價值。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，清華大學團隊提出借助微納結構雙曲超材料(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構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，對電磁波的傳播實現(xiàn)豐富的調控功能。

　　清華大學團隊研究表明，由于HMM可以支持波矢非常大的電磁模式，當電子能量極小時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。團隊進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難點，實現(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鍵功能單元的電子顯微鏡照片

　　在此基礎上，團隊進一步深化結合微納結構的自由電子輻射研究，實現(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。實驗進展表明，自由電子與微納結構的相互作用可為實現(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/光子的靈活調控能力受到了學術界的廣泛關注。

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

　　聲子晶體是周期結構對波的調控作用在聲學領域的拓展。近年來，利用結構周期性變化的人工聲學材料對聲波/聲子的傳播進行靈活的調控，在學術研究上取得了豐富的研究進展。

　　然而如何將光子/聲子晶體的新機理、新效應應用到實際器件中，并產(chǎn)生性的技術，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。

　　清華大學團隊面向實際應用需求，利用微納周期結構對光子和聲子的調控發(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實時光譜成像芯片，如圖2所示。

　　圖2 基于微納超表面寬帶濾波的CMOS實時光譜成像芯片功能示意圖

　　CMOS實時光譜成像芯片通過周期性的微納超表面結構實現(xiàn)入射光光譜調制，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上，然后通過算法恢復出入射光光譜。

　　該技術可以用少量的超表面結構恢復出多個波長點的光譜信息，從而實現(xiàn)高精度、大譜寬的實時光譜成像芯片，在衛(wèi)星遙感、消費電子、環(huán)保監(jiān)測、機器視覺、醫(yī)療診斷等領域具有重要應用前景。

　　另一方面，清華大學團隊通過優(yōu)化設計納米臂光聲晶體微腔結構，實現(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)的光輻射壓增強聲學振動提高折射率傳感的靈敏度，為實現(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構和研究思路。

　　光學軌道角動量輻射和接收芯片

　　人們很早就認識到每個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，關于光學軌道角動量的基礎研究和應用取得了相當大的進展：

　　由于光學軌道角動量具有渦流狀電磁能量分布和環(huán)形光斑的光強分布特性，通過移動光束達到移動粒子的作用，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，由于軌道角動量量子數(shù)是獨立于強度、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軌道角動量作為信息參量就可能實現(xiàn)高速、高維度、大容量的信息處理。

　　但是，利用傳統(tǒng)光學器件產(chǎn)生光學軌道角動量的方式具有體積大、系統(tǒng)復雜并且響應速度慢、調節(jié)范圍有限等缺點。

　　在2012年，英國布里斯托大學，美國貝爾實驗室聯(lián)合美國加州大學戴維斯分校以及清華大學團隊三者幾乎同時開展了集成型光學軌道角動量器件的研究。清華大學團隊研制的器件是通過在微環(huán)腔中均勻分布的下載波導，對環(huán)腔中諧振波長的光波在空間上均勻采樣，從而產(chǎn)生與下載波導數(shù)目以及回音壁模式階次相關的特定相位分布。進一步通過下載波導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是是清華大學所研制器件的原理示意圖和樣品照片。該方案的特點是在實現(xiàn)高質量OAM光束芯片產(chǎn)生的同時，提供了高維OAM階次調控的能力，目前已實現(xiàn)21階的OAM光束片上動態(tài)電調控。

　　圖3 集成OAM發(fā)射器清華大學方案的原理示意圖和器件樣品照片

　　進一步，清華大學團隊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相結合的新興交叉學科,是信息科學與技術領域具有戰(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現(xiàn)，其中量子光學的研究引起了人們特別的關注。

　　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證，然而具有實用意義的量子信息處理系統(tǒng)仍需要至少幾十個量子比特，目前在實驗室中普遍采用的自由空間光學技術無法實現(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)為基礎的量子保密通信技術已完成原理論證，進入實用化推廣階段。然而目前相關系統(tǒng)設備主要由分立器件實現(xiàn)，從實際應用出發(fā)的量子通信功能芯片集成化需求日益迫切。

　　清華大學團隊采用硅光子集成技術發(fā)展光量子芯片(圖4)。首先，利用硅波導中的自發(fā)四波混頻發(fā)展芯片集成的量子光源。微納尺度的硅波導具有非常高的三階光學非線性系數(shù)，采用幾毫米長的硅波導即可實現(xiàn)高質量的雙光子量子態(tài)產(chǎn)生。通過引入微腔諧振效應進一步增強光學非線性，則可以把量子光源尺寸進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，進一步實現(xiàn)了硅光量子芯片上復雜光量子態(tài)的產(chǎn)生和動態(tài)操控。

　　圖4 硅光量子芯片樣品照片

　　進一步，清華大學團隊和中科院上海微系統(tǒng)所合作，發(fā)展出了在硅波導上制備超導納米線單光子探測器的技術。這些工作表明硅光量子芯片具有實現(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的同時，清華大學團隊將硅波導集成的量子光源應用于時域量子鬼成像和大規(guī)模量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡等系統(tǒng)應用中，充分展現(xiàn)了硅光量子芯片作為未來光量子信息技術重要支撐器件具有廣闊的應用前景。

　　總結

　　微納結構光與物質相互作用的新物理為突破現(xiàn)有光電子器件的技術瓶頸提供了新機理和新途徑。基于此，清華大學黃翊東教授團隊面向不同應用領域的需求發(fā)展出具有自由電子輻射、實時光譜成像、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： 中國光學期刊網(wǎng)

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