超构材料光子集成芯片研究再获新成果

“光”是世界上速度最快的信息载体，对光的捕获和操控，就成为人们孜孜追求的目标。南京大学物理学院刘辉教授所在的课题组，结合国家在光子集成方面的重大需求和超构材料国际前沿领域，在超构材料光子集成芯片研究方面率先提出纳米螺旋偏振器，用于调控光偏振信息；最早提出磁共振纳米波导，在纳米尺度下传递光信息；以及采用新技术制备光子黑洞微腔，实现高效率光子捕获与探测等，使得光信号的调制、传输、探测三个阶段获突破。

超构材料是科学家模拟自然界中的材料，设计并制造的一种新型人工微结构材料。刘辉教授从事微结构光电功能器件与材料研究，在超构材料光子芯片方面，他和研究团队采用简单而巧妙的旋涂加热工艺，利用微球表面与聚合物薄膜接触的表面张力，在一块微小的光子芯片上，实现了折射率具有类似中心引力场分布的光学微腔。结果证明，与黑洞周围引力场“视界”类似，这种微腔也存在一种临界半径，当光子的传播路径通过临界半径包围的区域，光子就会被微腔捕获，而当光子的传播路径在临界半径区域之外，光子不会被捕获，只是路径发生弯曲，实验结果与理论很好的符合。国际著名超构材料专家Leonhardt教授评价这个工作是“第一次在光子芯片上，用简单的实验，精确而漂亮地演绎了爱因斯坦广义相对论所描述的部分思想”。该成果2013年发表在Nature Photonics 国际光学期刊上；2014年，被美国物理学年会评为推荐报告，被中国激光杂志社评为“2013年中国重要光学成果”。与以前的大多数窄带共振光学微腔相比，工作中报道的非共振光学微腔具有宽波段特性，可以捕获较宽的连续波段内的光子，这也发展了光学微腔一种新的功能，可以应用于光子芯片上的宽波段激光器，光电探测，光伏器件等。

目前，刘辉和研究团队在光发射器方面，正努力将半导体发光材料集成在超构材料中，实现一种超小尺寸的光子芯片的纳米激光器。同时，研制将独立的光子器件集成在完整的超构材料光子芯片上，实现一个具有完整信息处理功能的超构材料光子芯片，并希望将他研制的超构材料光子芯片用于光子计算机。（王利）

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