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科學(xué)家“馭光而行”：研發(fā)一系列超材料波導(dǎo)，極大提升光通信容量
文章來源：     更新時間：2022-10-31 15:00:57
近日，美國賓夕法尼亞大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授馮亮和團(tuán)隊(duì)，研發(fā)了一系列超材料波導(dǎo)，其中最小尺寸僅為 70 納米，能對光在極小尺度下實(shí)現(xiàn)極為精細(xì)的調(diào)控，并能結(jié)合波分復(fù)用和模分復(fù)用，可給光通信容量帶來極大提升。



借此也首次在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了連續(xù)超對稱變換在光學(xué)中的存在，展示了對光在超材料中三個模式的導(dǎo)向，并為光調(diào)控提供了新的通用范式。





馮亮（來源：馮亮）



在光通信領(lǐng)域，該成果具備最直接的應(yīng)用潛力。首先，實(shí)驗(yàn)中的超材料波導(dǎo)擁有三個輸入和輸出的單模端口，波導(dǎo)中段則是一個能同時支持三個模式進(jìn)行傳播的多模區(qū)間。



在連續(xù)超對稱變換作用下，即便三個輸入模式在多模區(qū)間同時混合傳播，每個模式的傳播方向，仍能被其所對應(yīng)的傳播常數(shù)所指引，從而流向各自的輸出端口，這也是光通信模分復(fù)用的一個直接體現(xiàn)。



其次，這種經(jīng)過連續(xù)超對稱變換后的模式導(dǎo)向功能，在極寬的波長范圍內(nèi)都有著極其優(yōu)異的表現(xiàn)。試驗(yàn)中，課題組實(shí)現(xiàn)了對于光通信 S 波段和 C 波段的全覆蓋，同時也覆蓋了部分 L 波段。另據(jù)悉，不同輸出端口間的平均串?dāng)_低至 6％。



同時，在納米光學(xué)和集成光學(xué)中，此次成果也具備廣闊的應(yīng)用前景。光在超材料波導(dǎo)中模式的空間強(qiáng)弱分布，能在超對稱變換下實(shí)現(xiàn)連續(xù)變化，而通過調(diào)節(jié)超對稱變換的尺度，即可給模式賦予靈活多樣的形狀，并極大地提升光在空間范圍內(nèi)的自由度。





（來源：eLight）



超材料在電子領(lǐng)域的潛力



超材料是具有自然界中未發(fā)現(xiàn)的特性的工程/人造材料。預(yù)計(jì)超材料的出現(xiàn)將對各種電子應(yīng)用產(chǎn)生重大影響。這些不自然的材料可能會產(chǎn)生類似于" MEMS"（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)的影響，并可能帶來變革。



超材料是由包含金屬，塑料，陶瓷等復(fù)合材料的多種元素組裝而成的。超材料的性能并非基于基礎(chǔ)材料的性能。它們基于工程材料的物理結(jié)構(gòu)。超材料依賴于精確的幾何形狀/形狀，大小，方向和排列來獲得其特性，這些特性超出了天然材料的可能范圍。名稱metamaterial源自希臘語meta表示"超越"和拉丁語materia表示"物質(zhì)"或"物質(zhì)"。



電氣工程，半導(dǎo)體，電磁學(xué)，微波和天線工程，光電子學(xué)，經(jīng)典光學(xué)，固態(tài)物理學(xué)，材料科學(xué)和納米工程是促進(jìn)超材料發(fā)展的學(xué)科。



目前，光纖電纜是全球通信系統(tǒng)的主干。通過攜帶光而不是電脈沖，它們比銅線更快、更有效地傳輸信息。但是，這些電纜連接的設(shè)備仍然使用電線，因此必須在其行程的任一端轉(zhuǎn)換光信號。用光子模擬物取代電子元件設(shè)備既可以提高信息傳輸能力，又可以避免電阻加熱。



那么，最新研發(fā)的一系列超材料波導(dǎo)，有怎樣的實(shí)力呢？是怎么被研制出來的？



“馴服”光



一直以來，馮亮都希望通過技術(shù)來“馴服”光，讓光在微米尺度、甚至納米尺度的材料中，去達(dá)到想讓它去的地方，讓其形狀“隨心而變”。



想要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，并不需要高深的理論，只需要了解電磁學(xué)里最基礎(chǔ)、同時也是最重要的知識——麥克斯韋方程組。



在這篇論文里，該團(tuán)隊(duì)使用超對稱變換的策略來改變光，這一方法可被歸類于變換光學(xué)。一般來說，人們在使用變換光學(xué)時，會去尋找“變”中的“不變”，比如即便做出一些坐標(biāo)變換，麥克斯韋方程組的基本形貌仍然保持不變。



在變換光學(xué)中進(jìn)行坐標(biāo)變換的同時，可以將材料的參數(shù)變化比如材料的大小形狀，與坐標(biāo)變換聯(lián)系起來，進(jìn)而改變光在材料中的樣貌。



因此，利用變換光學(xué)可以實(shí)現(xiàn)一些天馬行空、聽上去在電影中才會出現(xiàn)的場景。譬如，“隱形衣”正是利用變換光學(xué)，改變被隱形物體周圍的材料屬性，使得光經(jīng)過物體時可以繞道走，借此來實(shí)現(xiàn)隱形功能。



而在變換光學(xué)中要想實(shí)現(xiàn)類似功能，一般會用到名為“超材料”的介質(zhì)。不同于自然界中的材料，超材料的光學(xué)性質(zhì)可以被人為設(shè)計(jì)。比如，通過設(shè)計(jì)可以讓超材料處于空間里不同方向時，介電常數(shù)也變得不一樣。



因此，超材料能給研究者以極大的設(shè)計(jì)自由，去實(shí)現(xiàn)普通材料無法實(shí)現(xiàn)的奇異光學(xué)性質(zhì)。



而在本次課題里，該團(tuán)隊(duì)需要連續(xù)不斷地改變光在轉(zhuǎn)播中的有效折射率。這時，超材料便派上了用場。



借助超材料，課題組建立了一個平臺，平臺的主角便是超對稱變換。有別于傳統(tǒng)變換光學(xué)中的坐標(biāo)變換，超對稱變換最先起源于粒子物理學(xué)，后被用于量子力學(xué)，近來也開始在變換光學(xué)中占據(jù)一席之地。



在量子力學(xué)中，人們對一個系統(tǒng)做出變換之后，常常會研究該系統(tǒng)的哈密頓量中的變與不變。



當(dāng)把超對稱變換應(yīng)用在一個量子系統(tǒng)的哈密頓量中時，就會發(fā)現(xiàn)在變換前后，系統(tǒng)的特征態(tài)也會發(fā)生變化。



但是，變換之后系統(tǒng)中的每一個特征態(tài)，都能在變換前的系統(tǒng)中找到一個與之有著完全相同的特征能級的特征態(tài)。這時，即可將變換前后的兩個系統(tǒng)稱為“等能級系統(tǒng)”。



然而，想要在量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)超對稱變換前后的等能級系統(tǒng)，可能性幾乎為零。因?yàn)椋壳昂茈y精密、準(zhǔn)確地控制一個量子系統(tǒng)的能量。



不過從數(shù)學(xué)角度來看，描述一個量子系統(tǒng)的薛定諤方程，與描述光傳播的亥姆霍茲方程具有等價性，這讓人們能夠利用光學(xué)系統(tǒng)，去研究量子力學(xué)中的問題。



于是，近年來人們便把目光轉(zhuǎn)移到光學(xué)、尤其是變換光學(xué)領(lǐng)域，寄希望于將量子力學(xué)中的超對稱變換引入光學(xué)，以期在光學(xué)中實(shí)現(xiàn)類似的等能級系統(tǒng)。



也正是因?yàn)檫@種數(shù)學(xué)上的等價性，我們可以將量子力學(xué)中諸如勢能函數(shù)、能級的概念與光學(xué)中折射率分布、傳播常數(shù)作對應(yīng)，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象：在光學(xué)中的超對稱變換實(shí)際上改變了兩個系統(tǒng)之間的折射率分布。但是，光在材料中的傳播常數(shù)卻能保持不變。



此次研究中，課題組將超對稱變換與超材料“兩個超”合二為一，在實(shí)驗(yàn)上首次實(shí)現(xiàn)了光學(xué)中的連續(xù)超對稱變換，故該研究兼具創(chuàng)新性和開創(chuàng)性。



之所以稱為連續(xù)超對稱變換，是因?yàn)樵搱F(tuán)隊(duì)通過對超材料的設(shè)計(jì)，利用硅波導(dǎo)在空間上構(gòu)造了一個一維連續(xù)變化的材料折射率分布。



然后，將超對稱變換應(yīng)用在這個分布上，將變換后得到的新的一維分布，再度進(jìn)行超對稱變換。如次循環(huán)往復(fù)，便產(chǎn)生了一系列一維的折射率分布。它們雖然大小不一，但所有分布都具有相同的傳播常數(shù)。



隨后，課題組將它們沿著另一個維度串聯(lián)起來，便得到了二維的、連續(xù)變化的材料折射率分布。通過控制二維的材料折射率，便能在二維平面內(nèi)指引光的流向。

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來源：賢集網(wǎng)
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