新机制利用光子晶体将光集中在芯片上

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将光聚焦到与光波长本身一样小的空间体积内，是一项对众多应用来说都至关重要的挑战。来自荷兰原子与分子物理学研究所（AMOLF）、代尔夫特理工大学（TU Delft）以及美国康奈尔大学的研究人员展示了一种在极小尺度上聚焦光的新方法。他们的方法利用了光子晶体的特殊性质，并且与其他方法相比，可在更宽的波长范围内发挥作用。研究成果于4月18日以“Broadband localization of light at the termination of a topological photonic waveguide”为题发表于《Science Advances》。

对光子芯片上的各种技术应用来说，聚焦光非常重要，比如量子通信、光学传感器以及片上激光器等。“到目前为止，我们知道有两种常用的聚焦光的策略：可以使用光腔来实现，或者使用像漏斗一样压缩光的波导来实现，”荷兰原子与分子物理学研究所的研究小组负责人Ewold Verhagen说道。

“第一种方法利用共振原理，将光的聚焦或集中限制在特定的波长上。第二种方法的原理类似于传统的透镜，不过只能在比所用光的波长要大得多的器件中起作用。”

阻挡光线

由Gennady Shvets领导的康奈尔大学研究人员提出的一个理论构想，指向了博士生Daniel Muis及其同事如今首次展示的新方法，其中一个重要方面是物理系统的拓扑结构。

Muis解释道：“我们使用了光子晶体，它是带有规则排列的微小孔洞的硅片，原则上这些孔洞会阻止光在硅片中传播。但是，当我们将两块具有镜像图案的光子晶体并排放置时，在它们的边界处就会形成一个波导；光只能沿着边界传播。这种设计的特别之处在于，光的传导是‘拓扑保护’的，这意味着晶体中的缺陷所导致的光的散射或反射会受到抑制。”

研究人员想知道，如果他们突然用一堵光无法穿透的材料“墙”来终止这样一个波导，会发生什么情况。“由于光无处可去，而且反射又受到抑制，光应该会在那堵墙前面积聚起来，”Muis说，“光最终确实会通过波导反射回来，但会有一定的延迟。这就会导致光场在局部得到增强。”

光的聚焦

荷兰原子与分子物理学研究所Verhagen的研究小组以及代尔夫特理工大学Kobus Kuipers的研究小组决定与康奈尔大学的研究人员一起，通过实验来验证这些预测。拓扑波导是在荷兰原子与分子物理学研究所的一块硅芯片上制作出来的。为了直观地看到光子晶体内光的预期积聚情况，Muis使用了代尔夫特理工大学的一台独特显微镜，该显微镜通过晶体表面上方的一根超薄针来扫描光场。这台显微镜能够在比人类头发丝直径小约1000倍的尺度上定位光强。

来源：AMOLF

“我们确实在拓扑波导的末端看到了光场的明显增强。有趣的是，只有当终止波导的‘墙’以特定角度放置时才会出现这种情况。这与我们在康奈尔大学的合作伙伴所预测的完全一致，”Muis说道：“这证明了光的增强与背向反射的拓扑抑制有关。光的增强集中在一个非常小的体积内，小到与光本身的波长一样。这种方法的一个主要优点是它本质上是宽带的：它适用于多种不同的波长。”

这篇论文可被视为在芯片上进一步研究或应用这种光增强形式的操作指南。所展示的机制也应该适用于结构化介质中的任何其他类型的波，包括声波，甚至是特定晶体中的电子波。

Muis补充道：“对于下一步研究而言，使用脉冲激光来观察光持续积聚的时间间隔，看看光场增强能够达到的最大程度，并将其应用于光学芯片上的光操控，这些都会很有意思。”

参考链接

[1]https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr9569

[2]https://phys.org/news/2025-04-mechanism-photonic-crystal-chip.html