用于集成光子学及其他领域的光学元波导

　　清华大学和复旦大学的研究人员讨论了各种亚波长元结构波导的最新进展，包括将超材料和超表面与各种光波导（电介质/等离子体/光纤）结合的一类广泛的光子器件和系统，全面总结了具有明确设计方法的简要物理基础和元波导的代表性应用。相关研究发表在《light: science & applications》上。

 

　　在纳米光子学和集成光学的众多应用中，有效操纵引导电磁波具有重要意义，与其电子对应物不同的是，光子集成电路部署引导光波来携带信息。随着电线中数据传输的带宽和功率密度限制越来越明显，集成密度越来越高，集成光学场景已经显示出以低功耗实现超快和宽带信息处理的前景，这可能会绕过当前的电子瓶颈。该领域已经报道了各种应用，例如芯片级光信号处理、通信和模拟计算，以及量子、生物医学和传感领域的新兴技术。

 

　　随着纳米制造技术的日益成熟，光子芯片上出现了大量复杂的光学结构。亚波长结构的超表面和超材料在光波导的标准构建块上，正在逐渐重塑光子集成电路的格局，从而产生了许多在控制电磁波方面具有前所未有强度的超波导。

 

　　然而，光子集成电路的最新进展受到其最基本的传统光波导构建块的限制，在受限的可访问功能、效率和体积足迹方面受到限制。传统波导结构非常有限的设计库将它们的功能限制在大多只是波导。例如，介电波导普遍应用于控制片上传播模式，而等离子体波导在引导表面波方面发挥着重要作用。光纤是芯片和电路板之间长距离信息通信和光连接的理想选择。然而，小型化和多功能光子系统的持续趋势要求以紧凑、多功能、可配置和CMOS兼容的方式实现更复杂的设备功能。

 

　　完成这些任务将需要新的波导结构。幸运的是，最近超表面和超材料的出现开辟了一条通过在亚波长尺度上设计光子结构来实现强大光操纵的新途径。将元光学的概念转化为导波可以帮助克服上述挑战，通过将新的自由度注入波导景观中，以显着提高设备性能并启用新功能。

 

　　光学超表面和超材料通常由精心设计的人工结构组成，其特征尺寸远小于光波长。由三维体亚波长结构构建的超材料可以实现空间变化的奇异光学参数（包括介电常数和磁导率），从而产生隐身斗篷和慢光现象的转换光学。相比之下，超表面应用二维散射体阵列，在控制电磁波的基本属性（如振幅、相位、极化、波前等）方面也表现出前所未有的灵活性，现已经报道了富有成效的应用，如元透镜、高效全息图、功能涂层、彩色显示器、激光雷达和非线性光学。以前的研究重点主要集中在自由空间应用上。然而，近年来人们对将元光学与各种光波导协同作用以极大地增强传统光子器件的能力产生了极大的兴趣。亚波长元结构波导的进步不仅可以将元光学物理学扩展到电磁波领域，而且有望重塑光子集成电路和大规模新兴应用（如芯片实验室技术和神经形态光子学）的格局。

 

　　这篇研究中，研究人员回顾了元结构波导的最新进展，它将各种功能性亚波长光子架构与不同的波导平台（例如电介质或等离子体波导和光纤）协同起来。全面总结了基础结果和代表性应用，带有明确设计教程的简要物理模型，无论是基于物理直觉的设计方法还是基于计算机算法的逆向设计，也都被编目。研究人员重点强调了元光学如何通过增强光物质相互作用强度以大幅度提高设备性能，或提供一种多功能的设计介质来操纵纳米级的光，从而实现新颖的功能，为基于波导的设备和系统注入新的自由度。同时，进一步讨论了当前的挑战，比如1，非常需要可重构元波导。2，设备设计的挑战依然存在。3，元波导还必须解决可扩展制造和兼容集成方面的挑战。 最后概述了这个充满活力的领域在光子集成电路、生物医学传感、人工智能等领域的各种应用的新兴机遇。总之，光波导已被证明是集成各种功能亚波长元结构的标准平台，以使元波导具有新颖的功能或大大提高设备性能。与没有亚波长结构的传统波导相比，元波导不仅可以引导和限制光，还可以执行支持元结构的各种功能。与光子晶体波导相比，元波导可以作为“设计人造介质”（具有独特的光子带隙波导机制），能够以亚波长精度对光传播进行多功能和强大的控制。

 

　　通过将功能性亚波长结构与介电和等离子体波导平台结合，可以设想多功能耦合接口、片上光信号处理器、光子神经网络、多功能路由器、模式转换器、传感器、量子和非线性设备。通过将元结构与光纤集成，可以灵活、紧凑和多功能的方式实现在光通信、成像、生物医学传感和光纤实验室技术中的大量应用。元波导的进步不仅可以将元光学扩展到电磁波和波导技术领域，而且有望重塑光子集成电路和大规模新兴应用的格局。