撰稿 | 孟鳶（清華大學）

說明 | 本文來自論文作者（課題組）投稿

超構表面一般由一系列光學散射體組成的陣列構成，是一種經過巧妙設計的人造電磁界面，可通過控制亞波長尺度下的微觀結構來對電磁波的相位、偏振、傳輸等宏觀特性進行靈活的控制，是當前的國際研究前沿。

此前人們的研究重點一般聚焦在超構表面對自由空間光場的調控和應用。但是，近年來已陸續(xù)涌現(xiàn)將超構表面等亞波長結構集成在各類光波導平臺上，研發(fā)用于光信息處理、生化探測、傳感、人工智能等應用的新型光電子器件。

與此同時，隨著傳統(tǒng)電子電路在帶寬、損耗等方面的局限性日益凸顯，使用光波作為信息的載體的光子集成電路以其高速、寬帶、低損耗等突出優(yōu)勢，目前已成為國際研究的熱點，光集成和光互連等概念也日漸發(fā)展為未來信息社會的關鍵技術之一。但是，目前光子集成電路仍然存在器件尺寸較大、效率較低、功能單一等挑戰(zhàn)，其原因在于傳統(tǒng)光波導在結構和材料等方面仍存在局限性。

如果將“超構光學”的概念與各類光波導平臺相結合，將超構表面或超構材料集成在各類光波導結構上，則可以在亞波長尺度下對波導中的光信號進行靈活自由的調控，顯著提升傳統(tǒng)集成波導器件的性能指標、減小器件尺寸、并拓展應用范圍、開發(fā)具有新型功能的多種光電子器件。

圖1：超結構波導的分類

近期，來自清華大學、復旦大學、華中科技大學的科研團隊，與美國賓夕法尼亞州立大學、意大利薩尼奧大學、美國斯坦福大學以及深圳大學的多位研究學者，以“Optical meta-waveguides for integrated photonics and beyond”為題，在 Light: Science & Applications上發(fā)表了以“超構波導器件”為主線的綜述文章。

一、超結構波導的分類

超結構波導（meta-waveguide）一般指集成了具有特定功能性亞波長結構的、用于約束和引導電磁波在特定結構中傳輸的波導結構。

如果按照波導平臺來分類，超結構波導可以被分為介質超結構波導、金屬（或plasmonic型）超結構波導、以及超結構光纖（如圖1左圖所示）。

如果按照設計方法來分類，超結構波導可以通過正向設計法（即基于物理與經驗的方法）來設計，也可以通過反向設計法（基于各類計算機優(yōu)化算法）進行設計（如圖1右圖所示）。

如圖2所示，對于正向設計的超結構波導，研究者一般從超構單元出發(fā)，先分析設計超結構陣列的特性，再將其與特定的波導平臺相結合，對設計參數進行微調，進而設計出超結構波導器件。對于反向設計法而言，則一般先從希望實現(xiàn)的器件功能出發(fā)，然后確定目標函數，再借助計算機算法進行對其進行優(yōu)化，最后獲得對應的器件結構。

圖2：超結構波導的兩種設計方法

二、功能與應用

通過超結構波導這一平臺，我們可以實現(xiàn)自由空間光場、波導光場（導模）、以及表面波模式之間的靈活耦合與轉換。如圖3所示，使用端面制作了亞波長結構的超構光纖可以實現(xiàn)例如光束整形、光信號調制、光纖探測、內窺成像等應用。

圖3：形式多樣的超結構波導器件

利用上表面集成了超構表面的介質光波導、反向設計的超材料波導等結構，可以實現(xiàn)多功能的光耦合、光探測、偏振/波長解復用、結構光激發(fā)、波導模式轉化、片上光信號變換、光學神經網絡、光路由等應用。

同時，亞波長超結構也是操控表面波即表面等離子體激元（SPP）的優(yōu)異平臺，可以靈活自由的實現(xiàn)SPP的激發(fā)、調控、與探測等功能。

三、超結構波導的特點

超結構波導具備功能性的亞波長結構，一般可以采用等效媒質的超構材料等理論進行分析。這些微納結構可以充當米氏（Mie）諧振器或瑞利（Rayleigh）散射體的作用，在空間上形成特定的折射率分布進而對波導中傳輸的光場產生特定的功能性調制。

例如，波導表面上集成的相位梯度型超構表面可以提供一個由結構決定的等效動量，來補償不同模式之間轉換時的相位失配，進而可以實現(xiàn)不同模式之間的線性轉換。同時，通過優(yōu)化非線性光信號之間的空間交疊，超結構波導也可以實現(xiàn)非線性的模式轉換等功能。

圖4：超結構波導的特點

四、挑戰(zhàn)與展望

形式多樣，種類豐富的超結構波導為片上光信號的耦合、調控、與探測等功能設計注入了全新的自由度，將超構光學的研究進一步推進到了波導光學，將自由空間的光場操控延伸到了波導中的模式光場。

通過將亞波長超結構與波導技術相結合，一方面可以進一步提升光與人工材料結構相互作用的效率，進而提升傳統(tǒng)器件的性能，減小器件尺寸；另一方面可以借由超構材料的平臺以及反向設計的新型計算機設計方法來實現(xiàn)傳統(tǒng)自然材料的波導難以實現(xiàn)的導光效應，研究新型物理現(xiàn)象，拓展傳統(tǒng)波導器件的功能范圍。

雖然在器件功能設計、帶寬損耗、量化生產等方面還需要繼續(xù)改進，但是可以預見超結構波導將有望革新集成光學，作為納米光學、超構光學、與納米科技等交叉領域的代表之一，為片上光信息處理、光互連、光通信，以及生化探測、成像、傳感、人工智能等領域催生更多尺寸小、可調控、多功能的光電子器件。

圖5：超構波導電路與多種超結構器件

論文信息：

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

來自清華大學的肖起榕副教授、復旦大學的孫樹林教授、華中科技大學的張敏明教授為論文的共同通訊作者。清華大學的孟鳶博士、復旦大學的陳宜臻博士、華中科技大學的盧隆輝博士為論文的共同一作。論文的合作作者還包括美國賓夕法尼亞州立大學的丁一民博士、Xingjie Ni副教授，意大利薩尼奧大學的Andrea Cusano教授，美國斯坦福大學的Jonathan A. Fan副教授，華中科技大學的胡喬木、王凱元博士，深圳大學的謝振威助理教授、袁小聰教授，以及清華大學的劉洲天博士、楊原牧副教授、柳強教授和鞏馬理教授。

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轉載 | LightScienceApplications 公眾號

本文編輯 | 趙陽

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