荷兰代尔夫特理工大学研究团队展示了一种利用光子晶体在芯片上聚光的新机制
发布时间：2025-04-21 16:40:49 阅读数： 556
将光集中在与波长本身一样小的体积内是一项挑战，对许多应用来说至关重要。来自 AMOLF、代尔夫特理工大学和美国康奈尔大学的研究人员展示了一种在极小范围内聚光的新方法。与其他方法相比，他们的方法利用了光子晶体的特殊性能，适用于更宽的波长范围。研究人员于 4 月 18 日在《科学进展》（Science Advances）杂志上发表了他们的研究成果。
聚光对于光子芯片上的各种技术应用非常重要，例如量子通信、光学传感器和片上激光器?！癆MOLF 小组组长 Ewold Verhagen 说："到目前为止，我们知道两种一般的聚光策略：可以使用光腔，也可以使用像漏斗一样压缩光线的波导。
“第一种方法利用共振，将光的聚焦或集中限制在特定波长。第二种方法的工作原理与传统透镜类似，只是在一个比所用光波长大得多的装置中进行。
阻挡光线
由根纳季-什韦茨（Gennady Shvets）领导的康奈尔大学研究人员提出的一个理论观点，为博士生丹尼尔-穆伊斯（Daniel Muis）及其同事现在首次展示的新方法指明了方向。这种方法的一个重要方面就是所谓的物理系统拓扑学。
穆伊斯解释说："我们使用光子晶体，这是一种带有规则小孔图案的硅片，原则上这些孔洞会阻止光在硅片中传播。但是，当我们把两个具有镜像图案的光子晶体放在一起时，就会在它们的边界上形成一个波导；光只能沿着边界移动。这种设计的特别之处在于，光的传导受到了'拓扑保护'，也就是说，晶体中的缺陷会抑制光的散射或反射"。
研究人员想知道，如果他们突然终止这样的波导，在波导上筑起一堵光无法穿过的材料 “墙”，会发生什么情况?！澳乱了顾担?由于光线无处可去，反射又被抑制，因此光线应该聚集在这堵墙前面?！肮庾钪栈嵬üǖ挤吹乩?，但只是在延迟之后。这就导致了光场的局部放大。
光浓度
AMOLF 的 Verhagen 小组和代尔夫特理工大学的 Kobus Kuipers 小组决定与康奈尔大学的研究人员一起在实验中验证这一预测。拓扑波导是在 AMOLF 的硅芯片上制作的。为了将预测的光在光子晶体内聚集的情况可视化，穆伊斯在代尔夫特理工大学使用了一种独特的显微镜，通过晶体表面上方的超细针扫描光场。这种显微镜可以在比头发丝粗细小 1000 倍的范围内定位光强度。
“我们确实在拓扑波导的末端看到了明显的光场放大现象。有趣的是，只有当终止波导的'墙'以一定角度放置时，才会出现这种情况。这正是我们在康奈尔大学的合作伙伴所预测的。
“它证明了光的放大与拓扑抑制背向反射有关。光放大集中在一个非常小的体积内，与光本身的波长一样小。这种方法的一大优势是它本身具有宽带特性：它适用于多种不同的波长。
这篇发表在《科学进展》（Science Advances）上的文章由穆伊斯和他在康奈尔大学的同事李延东共同撰写，可以看作是进一步研究或应用这种芯片光放大形式的秘诀。所展示的机制也适用于结构化介质中的任何其他类型的波，包括声波甚至特定晶体中的电子。
穆伊斯说："下一步，我们有兴趣使用脉冲激光器来观察光持续累积的时间间隔，看看场放大的程度能达到多少，并将其用于光学芯片上的光操纵应用?！?/span>
