南大物理学院赖耘、彭茹雯和王牧合作团队实现了无需包层的超紧凑光子回路
近期，南京大学赖耘教授、彭茹雯教授和王牧教授合作团队的最新研究成果突破了依赖于包层的传统波导物理图像，在纯电介质系统中提出了一种无需包层的超紧凑波导阵列与光子回路的新原理。他们通过原理性实验成功展示了与空气完美阻抗匹配且具有直角转弯功能的零间距波导阵列，以及沿弯曲路径传播并遍历整个物理空间的无包层光子回路。
纵观波导发展的历史，包层一直以来都被认为是波导系统不可或缺的重要组成部分。在图1传统波导与无包层波导的对比示意图中，普通介质波导(见图1(a))和光子晶体带隙波导(见图1(b))都需要低折射率介质或全带隙光子晶体作为包层将光限制在芯层中传播。此外，近年来热门的等离激元波导和拓扑光子学波导的物理机制也都离不开包层。特别是光子芯片中，绝大部分空间都是包层。然而，包层本身并不传输信号，这造成了物理空间上的极大浪费。
在这项工作中，研究人员设计了一种特殊的光子晶体(这里简称介质B)，其空间色散曲线与普通介质(这里简称介质A)的空间色散曲线在传播方向上完全分开，如图1(c)所示。因为动量不匹配，被限制在介质B中的光不能进入介质A，被限制在介质A中的光也不能进入介质B，此时介质A和B都是波导芯层，但同时也可以作为彼此的"有效包层"。通过把这种光子晶体波导与普通介质波导组合起来就形成了无包层的新型波导系统。在这种独特的波导系统中，整个物理空间都可以作为电磁波/光的传输通道，因此可以把空间利用率提升到最高。
图1 传统波导和无包层波导的工作原理。(a)普通介质光波导，(b)光子晶体波导，(c)无包层波导。右边代表了相应情况的等频率曲线。
研究人员首先展示了一个与空气完美阻抗匹配的零间距微波波导阵列，其示意图如图2(a)所示，真实结构如图2(b)所示。通过对每个端口分别激发微波，便得到了图2(c-j)的场强度分布模拟图，框线为实验探测的区域，右侧为实验探测的结果。此外，研究人员对波导阵列出口处的场做了定量分析，结果展示在每张图的下方。可以发现，电磁波都被限制在相应的通道中，从而验证了无包层波导阵列的概念。
图2 无包层波导阵列的仿真与实验验证。(a，b) 通过交替排列光子晶体和空气通道构建的无包层波导阵列的示意图与实验样品照片。(c-j) 八个通道独立激励下的仿真和实验图。
更有趣的是，研究人员通过应用图3(a)中的三个方形的超晶格单元，搭建了如图3(b)左侧所示的波导阵列转弯光路。通过对三个输入端分别激发，得到了图3(c-e)的仿真与实验结果，可以看出，上述波导阵列可以实现曲率半径为零的直角转弯。不仅如此，在图3(b)右侧还展示了一个沿弯曲路径传播的无包层光子回路，波从输入端射入，经历多个转弯后经输出端射出，其仿真与实验结果如图3(f)所示。结果表明，这种无包层光子回路就像是一座不用"墙"的光子迷宫，光可以遍历整个物理空间，这在以前的光路设计中是不可想象的。
图3 波导阵列直角转弯和无包层光回路的仿真与微波实验结果。(a) 三类转角单元，(b) 无包层直角转弯波导阵列和无包层光回路装置示意图。(c-f) 在输入端口Ii(i=1,2,3,4)的独立激励下的仿真和微波实验结果。
这一原理理论上对任意频段的电磁波和光波，乃至声波和机械波都是广泛适用的。这项研究成果表明，未来的波导和光子芯片领域或将迎来不需要包层的新时代。
该成果以 "Ultracompact Photonic Circuits without Cladding Layers"为题发表于顶级物理类期刊《Physical Review X》(Phys. Rev. X 12, 011053 (2022))，并获得Physics亮点评论(Physics 15, 39 (2022))。该工作的第一作者是南京大学物理学院博士生宋彤彤，南京大学助理研究员褚宏晨，苏州大学副研究员罗杰为共同一作。通讯作者为赖耘教授、王牧教授和彭茹雯教授。合作者包括荷兰埃因霍芬理工大学曹子峥教授、武汉大学肖孟教授。该研究受到国家重点研发计划和国家自然科学基金委的资助，也得到南京大学物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心等支持。
Physics点评："这项研究显然推翻了一个在波导物理中被长期相信的准则——即为了操控光沿指定路径传播，阻止波进入的包层是必不可少的。通过将原波导系统中的包层变成了波导，片上信息传播的速度和容量可以大幅提升。而且，不用包层就操控波沿指定路径传播的能力——类似于不用中央隔离带建造高速公路一样——将允许把整个芯片空间用于光子集成的片上设计，从而达到微型化的绝对极限。可以想象，这个普适的机制可以应用于其他的波动系统，包括经典的和量子的，例如表面等离子激元和光量子计算机中的量子位操控。"
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