ACS Photonics: 零折射率波导研究有新发现

诸平

据美国哈佛大学约翰·A·保尔森工程和应用科学学院(Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences，Harvard SEAS)2017年10月9日提供的消息,SEAS的研究人员首次直接看到无限长的波长，而且零折射率波导（zero-index waveguide）可以与目前的硅光子技术兼容。

2015年,哈佛大学SEAS的研究人员研发出了折射率为零第一片超材料（metamaterial）,这意味着光的相位可以延伸无限长。 超材料代表了一种可以来操纵光的新方法，而且是向光子集成电路（integrated photonic circuits）迈出的重要一步,光子集成电路是使用光子而不是电子来执行各种各样的功能。

现在,SEAS的研究人员进一步推动此项技术向前发展,正在开发一种可以与目前硅光子技术兼容的零折射率波导。在这一过程中,SEAS研究小组观察到一种物理现象,而且通常是在驻波光难以观察到的现象。相关研究结果已经在美国化学会主办的《ACS光子学》（ACS Photonics） 杂志网站上发表，哈佛大学科技开发办公室（The Harvard Office of Technology Development）已经提交了一份专利申请，并正在探索商业化之路。

当一种波长的光穿过一种材料时,其波峰和波谷会受到压缩或拉伸,这取决于材料的性质。究竟一种光波有多少波峰被压缩，表示为一种比例被称为折射率（the refractive index），折射率越高,波长越扁平。

当折射率减少到零时，光不再表现为像一种移动的波,而是以一系列的波峰和波谷在空间穿越。将一系列的波峰和波谷称为相。相反,此波被无限延长,创建了一种固定相（constant phase）。而此相仅仅随时间而震荡，不会因为空间变化而震荡。

这对集成光子学来说是令人兴奋的,因为大多数光学设备使用两种或两种以上的波之间的相互作用,因此当其穿过电路时，就需要不同波之间必须同步传播。如果波长无限长,光的波长相匹配就不是一个问题,因为光场无论在何处都是一样的。

但在2015年的最初突破之后,研究小组遇到了“第22条军规（catch-22）”。 因为研究团队使用棱镜测试芯片上的光是否确实是被无限延伸了,所以所有的设备都要搞成棱镜形的。但对于集成电路来说，棱镜并不是特别有用的形状。团队想要开发一种设备,而且该设备可以直接插入到已有的光子电路之中,为此最有用的形状就是一个直导线（straight wire）或波导（waveguide）。

Real-time, unprocessed video of standing waves of light in a 15-micrometer-long, zero-index waveguide taken with an infrared camera. The perceived motion is caused by atmospheric disturbances to the free- standing fibers that couple light onto the chip, changing the relative phase between the two incoming beams. Credit: Harvard SEAS

网络上也有哈佛SEAS提供的用红外相机拍摄的15μm长、零折射率波导的实时、未经处理的光驻波视频。认为感观运动是由大气对独立纤维扰动而引起的。独立纤维将光映射到特定芯片上，改变了两个入射光束之间的相对相位。

由哈佛SEAS巴尔坎斯基物理学教授（Balkanski Professor of Physics）埃里克·马祖尔（Eric Mazur）领导的研究小组,建立了一种无需棱镜帮助的波导,但是，尚未有一种简单的方法来证明是否其折射率为零。此外,博士后研究人员奥拉德·雷瑟夫（Orad Reshef）和菲利普·穆尼奥斯（Philip Camayd-Muñoz）提出了一个主意。通常,因为光的波长太小,振动又太快以至于无法进行测量，只能取其平均值。看到某波长的唯一方法就将两波组合使其产生干涉。可以想象为吉他上的琴弦，任意一端都需要固定。当妙手弹拨时就会发出一连串的音符，是波穿过弦受到固定一端的影响会再次返回，创建了两种运动方向相反而频率相同的波。这种干涉称为驻波。

奥拉德·雷瑟夫和菲利普·穆尼奥斯将同样的想法应用到光波导。他们通过创建一种驻波设备，使用相反方向的光束照射来“牵制”光。个体波仍迅速振荡，但它们的振荡频率相同，振荡方向相反,意味着在特定点它们相互抵消，而在其它一些点它们有相互叠加,创建了一种全亮或全黑模式。因为零折射率材料,哈佛SEAS研究团队已经看到可以使波长伸展足够大。

这可能就是前所未见的具有无穷长波长的驻波，也是首次看到的,之前从来没有见过的。

最近已经在加拿大渥太华大学（University of Ottawa）得到了一职的奥拉德·雷瑟夫博士说：“我们能够观察到零折射率的一种惊人演示。以如此低的折射率通过一种媒介传播，可使这些波的特征得以拓展,人们可以用普通显微镜就可以看到。是因为这些波的特征以光的形式通常太小，无法直接检测到。”

菲利普·穆尼奥斯博士说：“这对于硅光子学工具箱增加了的一个重要工具。在零折射率体系内存在奇异的物理学，现在我们将其引入集成光子学（integrated photonics）。这是重要的一步,因为它意味着我们可以直接插入到传统的光学设备之中，为零折射率现象（zero-index phenomena）找到真正的用途。在未来,量子计算机可能是基于激发态原子网络，而激发态原子通过光子进行沟通的。原子的相互作用范围大致上与光的波长相等。通过使波长延伸变得更长,我们可以按比例扩大量子设备，启用远程交互。” 更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

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