一種無需包層的超緊湊波導(dǎo)陣列與光子回路的新原理

導(dǎo)讀

如果提問：“不用墻或障礙物，可以建起一座迷宮嗎？”你可能會(huì)說：“當(dāng)然不行！”。直覺上，空間的分隔必須要依賴于墻等障礙物，正如高速公路上正反車道之間的隔離帶一樣。有趣的是，對(duì)光子來說，這個(gè)問題的答案卻是：“可以！”。

近期，南京大學(xué) 賴耘 教授、王牧 教授和 彭茹雯 教授合作團(tuán)隊(duì)的最新研究成果突破了依賴于包層的傳統(tǒng)波導(dǎo)物理圖像，在純電介質(zhì)系統(tǒng)中提出了一種無需包層的超緊湊波導(dǎo)陣列與光子回路的新原理。他們通過原理性實(shí)驗(yàn)成功構(gòu)建出與空氣完美阻抗匹配且具有直角轉(zhuǎn)彎功能的零間距波導(dǎo)陣列，展示了沿彎曲路徑傳播并遍歷整個(gè)物理空間的無包層光子回路，就像是一座不用“墻”的光子迷宮一樣。

該成果以 Ultracompact Photonic Circuits without Cladding Layers 為題發(fā)表于頂級(jí)物理類期刊《Physical Review X》（Phys. Rev. X 12， 011053 （2022））。并獲 Physics 以Cladding-Free Photonic Circuits Boost Dense On-Chip Integration 為題發(fā)表專題亮點(diǎn)評(píng)論（（Physics 15， 39 （2022））。

該論文通訊作者為南京大學(xué)物理學(xué)院 賴耘 教授、王牧 教授和 彭茹雯 教授。南京大學(xué)物理學(xué)院博士生 宋彤彤 為第一作者。南京大學(xué)助理研究員 褚宏晨、蘇州大學(xué)副研究員 羅杰 為共同一作。合作者包括荷蘭埃因霍芬理工大學(xué) 曹子崢 教授、武漢大學(xué) 肖孟 教授。

Physics 點(diǎn)評(píng)：“這項(xiàng)研究顯然推翻了一個(gè)在波導(dǎo)物理中被長(zhǎng)期相信的準(zhǔn)則—即為了操控光沿指定路徑傳播，阻止波進(jìn)入的包層是必不可少的。通過將原波導(dǎo)系統(tǒng)中的包層變成了波導(dǎo)，片上信息傳播的速度和容量可以大幅提升。而且，不用包層就操控波沿指定路徑傳播的能力—類似于不用中央隔離帶建造高速公路一樣—將允許把整個(gè)芯片空間用于光子集成的片上設(shè)計(jì)，從而達(dá)到微型化的絕對(duì)極限?？梢韵胂螅@個(gè)普適的機(jī)制可以應(yīng)用于其他的波動(dòng)系統(tǒng)，包括經(jīng)典的和量子的，例如表面等離子激元和光量子計(jì)算機(jī)中的量子位操控?！?/p>

光子芯片使用光子來產(chǎn)生、處理和傳輸信息，與電芯片相比，具有速率快，功耗小，沒有熱效應(yīng)，不存在電磁干擾等特點(diǎn)，在諸多應(yīng)用領(lǐng)域擁有獨(dú)一無二的優(yōu)勢(shì)。正如半導(dǎo)體芯片的摩爾定律一般，光子芯片也面臨著如何進(jìn)一步提升集成度這個(gè)重大的科學(xué)問題。為追求集成度更高的光波導(dǎo)，光子集成回路從低折射率對(duì)比的系統(tǒng)（如SiO?-on-Si）轉(zhuǎn)向高折射率對(duì)比的系統(tǒng)（如 Silicon-on-Insulator （SOI）），使波導(dǎo)芯層的截面積減少了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

為了進(jìn)一步提高集成度，人們還提出了等離激元波導(dǎo)和超高折射率波導(dǎo)等新方法。然而，在亞波長(zhǎng)尺度下，光波導(dǎo)之間的耦合會(huì)造成嚴(yán)重的串?dāng)_，這使主要通過減小芯層來提高集成度的方法遇到了瓶頸。實(shí)際上，目前基于波導(dǎo)系統(tǒng)的光子芯片中，絕大部分空間都是包層，它們用來將光子限制在芯層中，就好像光子的“墻”一樣。然而，包層造成了物理空間上的極大浪費(fèi)，如何減小包層尺寸成為了光子芯片能否進(jìn)一步集成的關(guān)鍵。

那么，有沒有可能實(shí)現(xiàn)不用包層的光子芯片呢？從直覺上看，要在光子芯片中把包層去除似乎是不可能的，就好像不用墻構(gòu)建一個(gè)迷宮一樣。縱觀波導(dǎo)發(fā)展的歷史，包層一直以來都被認(rèn)為是波導(dǎo)系統(tǒng)不可或缺的重要組成部分。例如，傳統(tǒng)的光纖以及光學(xué)波導(dǎo)是基于從光密介質(zhì)到光疏介質(zhì)界面上的全反射原理，因此芯層外必須有相對(duì)低折射率的包層；光子晶體波導(dǎo)則是利用不允許光傳播的光子帶隙材料作為包層；近年來流行的等離激元波導(dǎo)和拓?fù)涔庾硬▽?dǎo)則是利用了表面等離激元或者邊界態(tài)來傳播，而邊界的兩側(cè)是金屬結(jié)構(gòu)或者光學(xué)拓?fù)浣^緣體構(gòu)成的包層。這么看來，無包層的波導(dǎo)系統(tǒng)和光子芯片之前從未被實(shí)現(xiàn)過，甚至可能未被想象過。

在這項(xiàng)工作中，研究人員首次提出了一種不需要包層的波導(dǎo)陣列與光回路。在這種獨(dú)特的波導(dǎo)系統(tǒng)中，整個(gè)物理空間都可以作為電磁波/光的傳輸通道，因此可以把空間利用率提升到最高。

研究人員設(shè)計(jì)了一種電介質(zhì)超構(gòu)材料/光子晶體波導(dǎo)，其空間色散曲線與普通介質(zhì)的空間色散曲線在傳播方向上是完全分開的。因此，普通介質(zhì)中傳播的光不能進(jìn)入光子晶體，而在光子晶體中傳播的光也不能進(jìn)入普通介質(zhì)。通過把這種光子晶體波導(dǎo)與普通介質(zhì)波導(dǎo)組合起來就形成了無包層的新型波導(dǎo)系統(tǒng)。

研究人員通過微波實(shí)驗(yàn)展示了與空氣完美阻抗匹配且具有直角轉(zhuǎn)彎功能的零間距波導(dǎo)陣列。雖然相鄰波導(dǎo)之間間距為零，卻完全沒有串?dāng)_，即光不會(huì)在波導(dǎo)之間傳播。此外，還展示了沿彎曲路徑傳播并遍歷整個(gè)物理空間的無包層光子回路，類似一座無“墻”的光子迷宮。通過基于硅和氧化硅設(shè)計(jì)，進(jìn)一步證明了這個(gè)原理可以推廣至光學(xué)頻段。這些看似違反常識(shí)的結(jié)論為以后光子芯片的設(shè)計(jì)提供了更靈活的選擇和最極端的空間利用率。

圖 1 展示了普通介質(zhì)波導(dǎo)，光子晶體帶隙波導(dǎo)和無包層波導(dǎo)的對(duì)比示意圖，右側(cè)為對(duì)應(yīng)的空間色散曲線（等頻率曲線， Equal Frequency Contours）。普通介質(zhì)波導(dǎo)的原理是全反射定律，光被低折射率介質(zhì)（包層）限制在高折射率介質(zhì)（芯層）中傳播，對(duì)應(yīng)于圖 1（a）。光子晶體帶隙波導(dǎo)則利用了具有光子禁帶的光子晶體作為包層將光限制在芯層，對(duì)應(yīng)于圖 1（b）。

但是，如果存在兩種介質(zhì) A 和 B，它們的空間色散曲線像圖 1（c）右側(cè)一樣在k∥，即波導(dǎo)傳播方向上是完全分開的，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象呢？通過簡(jiǎn)單的分析，研究人員得到了一個(gè)結(jié)論：被限制在介質(zhì) B 中的光不能進(jìn)入介質(zhì) A，被限制在介質(zhì) A 中的光也不能進(jìn)入介質(zhì) B，即介質(zhì) A 和 B 都是芯層，但也可以互相作為彼此的“有效包層”！因此，傳統(tǒng)波導(dǎo)物理中的包層其實(shí)并不是必要的。需要強(qiáng)調(diào)的是，A 和 B 介質(zhì)中傳播的光之間沒有串?dāng)_，盡管它們之間的間距嚴(yán)格為零。

圖 1：傳統(tǒng)波導(dǎo)和無包層波導(dǎo)的工作原理。（a）普通介質(zhì)光波導(dǎo)，（b）光子晶體波導(dǎo)，（c）無包層波導(dǎo)。右邊代表了相應(yīng)情況的等頻率曲線。

是否存在這樣的空間色散呢？現(xiàn)實(shí)中大部分材料的空間色散曲線都以布里淵區(qū) Γ 點(diǎn)為中心，不符合圖 1（c）的要求，因此能否實(shí)現(xiàn)一種“移位的空間色散”（shifted spatial dispersions）介質(zhì)，成為了問題的關(guān)鍵。電介質(zhì)超構(gòu)材料/光子晶體由于其豐富的能帶性質(zhì)吸引了研究人員的目光。研究人員采用了介電常數(shù)為 12 的電介質(zhì)，通過打破對(duì)稱性的設(shè)計(jì)，在一定頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了“移位的空間色散”。另外，這種光子晶體還被設(shè)計(jì)成和空氣具有廣角阻抗匹配（Phys. Rev. Lett.117， 223901 （2016））的性質(zhì)，當(dāng)入射波從光子晶體波導(dǎo)端口進(jìn)入時(shí)，幾乎不會(huì)有任何反射。

有了這種光子晶體波導(dǎo)，研究人員把它們與空氣通道依次間隔排列，就可以形成一個(gè)無需包層的波導(dǎo)陣列，示意圖如圖 2（a）所示。圖 2（b）是一個(gè)微波頻段的無包層波導(dǎo)陣列的照片，它由 4 種不同厚度的光子晶體通道和空氣通道構(gòu)成，命名為A???（超構(gòu)材料波導(dǎo)），B???（空氣波導(dǎo)）。研究人員分別對(duì)每個(gè)端口分別激發(fā)微波，發(fā)現(xiàn)電磁波都被限制在相應(yīng)的通道中。其中圖 2（c、d）展示了A?，B?通道的結(jié)果。至此驗(yàn)證了無包層波導(dǎo)陣列的概念。

圖 2：無包層波導(dǎo)陣列的仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。（a，b） 通過交替排列光子晶體和空氣通道構(gòu)建的無包層波導(dǎo)陣列的示意圖與實(shí)驗(yàn)樣品照片。（c，d） A?，B?通道獨(dú)立激勵(lì)下的仿真結(jié)果。

更有趣的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過合理的設(shè)計(jì)，上述波導(dǎo)陣列可以實(shí)現(xiàn)曲率半徑為零的直角轉(zhuǎn)彎。圖 3（a）展示了一個(gè)三通道直角轉(zhuǎn)彎光路。對(duì)三個(gè)輸入端的分別激發(fā)，便得到了圖 3（c-e）的結(jié)果，通過進(jìn)一步優(yōu)化，可以將透射率提升至 95% 以上。不僅如此，研究人員還搭建一個(gè)沿彎曲路徑傳播的無包層光子回路，如圖 3（b）所示。波從輸入端進(jìn)入，經(jīng)歷多個(gè)轉(zhuǎn)彎后從輸出端射出。其結(jié)果如圖 3（f）所示。這種光子回路就像是一座不用“墻”的光子迷宮，光可以遍歷整個(gè)物理空間，完全沒有空間浪費(fèi)，這在以前的光路設(shè)計(jì)中幾乎是不可想象的。

圖 3：波導(dǎo)陣列直角轉(zhuǎn)彎和無包層光回路。（a，b） 無包層直角轉(zhuǎn)彎波導(dǎo)陣列和無包層光回路裝置示意圖。（c-f） 在輸入端口I?（i=1，2，3，4）的獨(dú)立激勵(lì)下的仿真結(jié)果。

值得一提的是，這種新原理對(duì)電磁波是普適的。由于采用了純電介質(zhì)設(shè)計(jì)，相應(yīng)結(jié)果可以拓展到光頻段。圖 4（a）展示了一種光學(xué)設(shè)計(jì)，光子晶體由硅和氧化硅構(gòu)成，工作波長(zhǎng)為 1550 nm。觀察光子晶體與氧化硅的等頻率曲線可以看出，它們彼此沒有交疊，因此這種光子晶體與氧化硅之間也構(gòu)成互為包層的關(guān)系。圖 4（b）給出了光子晶體在氧化硅中的透射譜，可見這種光子晶體和氧化硅在 ±30° 的角度范圍內(nèi)是阻抗匹配的。將這個(gè)光子晶體波導(dǎo)與氧化硅波導(dǎo)組合起來，便形成了一個(gè)雙通道波導(dǎo)，其中光子晶體通道的寬度是 832.5 nm，氧化硅通道的寬度是 600 nm，平均通道寬度已經(jīng)小于真空中半波長(zhǎng)度（775 nm）。圖 4（c）展示了光子晶體波導(dǎo)和氧化硅波導(dǎo)的仿真場(chǎng)強(qiáng)分布圖，從中可以看出，即使傳播了 1 cm 的距離，這兩個(gè)零間距的通道之間也不會(huì)存在串?dāng)_。實(shí)際上，與傳統(tǒng)波導(dǎo)系統(tǒng)完全不同的是，這兩類通道在本質(zhì)上是無串?dāng)_的，與傳播距離無關(guān)。

圖 4：光學(xué)頻段的設(shè)計(jì)。（a）光子晶體的單元結(jié)構(gòu)和工作頻率下的等頻率曲線。（b）氧化硅背景中光子晶體的角度透射譜。（c）零間距光子晶體和氧化硅通道各自傳播 1000 μm 的強(qiáng)度分布圖。

綜上所述，研究人員通過構(gòu)建無包層波導(dǎo)系統(tǒng)和光子回路，打破了波導(dǎo)物理學(xué)中基于包層的范式和物理圖像。通過在相鄰?fù)ǖ乐g引入移位的空間色散，成功地將不能傳輸信號(hào)的包層轉(zhuǎn)化為沒有串?dāng)_的傳輸通道，使集成光子回路展現(xiàn)了前所未有的緊湊性和靈活性。整個(gè)物理空間都成為了光的傳輸通道，光芯片的空間利用效率達(dá)到極致。

理論上，這一原理對(duì)任意頻段的電磁波和光波，乃至聲波和機(jī)械波都是廣泛適用的。這項(xiàng)研究成果表明，未來的波導(dǎo)和光子芯片領(lǐng)域或?qū)⒂瓉聿恍枰鼘拥男聲r(shí)代。

論文信息

Ultracompact Photonic Circuits without Cladding Layers， Physical Review X 12， 011053 （2022）

https://doi.org/10.1103/PhysRevX.12.011053

審核編輯 ：李倩