片上纳米尺度光操控，实现突破

来自上海交通大学、国家纳米科学中心等单位的科研人员，成功实现芯片上纳米光信号的高效激发与路径分离，为开发更小、更快、能耗更低的下一代光子芯片奠定了坚实基础。相关研究成果发表于《自然·光子学》杂志。

随着芯片尺寸不断缩小、能耗要求持续降低，如何在纳米尺度上精确控制光的传播，已成为发展下一代信息技术的核心瓶颈。“作为一种由光与材料耦合形成的特殊电磁波，极化激元能将光能量高度压缩在纳米尺度，是实现超小型光子器件的关键利器，有望应用于光子芯片、量子信息等诸多前沿领域。”论文共同通讯作者、上海交通大学教授戴庆告诉记者。

双曲极化激元高阶模式的激发与空间分离示意图

在各种极化激元形态中，高阶双曲声子极化激元约束光场的能力比普通极化激元更强，尤其适合制造更紧凑的纳米器件。但它的“激发门槛”极高，传统方法难以实现高阶极化激元的有效激发和操控。

为解决这一难题，科研人员创新性地提出了“两步走”的激发策略：第一步，先用特制的金属天线将普通激光转换成一种基础模式的纳米光波；第二步，让这种光波经过一个极其平整的黄金边界，通过散射巧妙地将其“转换”成所需的高阶光波。

“利用这种方法，我们不仅在室温下实现了高阶光波的长距离、低损耗传输，还通过精巧的结构设计，像控制交通一样，让不同模式的光波分道扬镳，实现了光信号在纳米尺度的路由功能。”论文共同通讯作者、国家纳米科学中心副研究员胡海说。

戴庆表示，这项研究不仅提出了一种高效激发纳米光波的新方法，还展示了其在光路径精确控制方面的潜力，对发展纳米光路和集成光子器件等具有重要意义。

创制“光晶体管”，实现纳米尺度光操控

值得一提的是，早在2023年2月，《科学》就报道了一项极化激元领域的重要进展。国家纳米科学中心戴庆研究团队实现了极化激元的高效激发和长程传输。在此基础上，他们成功创制“光晶体管”，实现纳米尺度光正负折射调控，显著提升了纳米尺度光操控能力。

极化激元是一种由入射光与材料表界面相互作用形成的特殊电磁模式，也可以认为是一种光子与物质耦合形成的准粒子。它具有优异的光场压缩能力，可以轻易突破光学衍射极限，从而实现纳米尺度上光信息的传输和处理。

戴庆研究团队率先提出了利用极化激元作为光电互联媒介的新思路，充分发挥它对光的高压缩和易调控优势，不仅有望实现高效光电互联，还可以提供额外的信息处理能力，从而进一步提升光电融合系统的性能。

在近期的研究中，戴庆研究团队成功给低对称极化激元拍了个照，实现了低对称声子极化激元的实空间成像，证实了近场“轴色散”效应，揭示了一种新的在纳米尺度实现光子操控的可行路径。

同时，他们还大幅提高了纳米尺度的光子精确操控水平，成功将10微米波长的红外光压缩成几十纳米波长的极化激元，并调控性能实现平面内的能量聚焦和定向传播。

对此，戴庆解释道：“光电互联是光电融合的重要基础，它相当于光电两条高速公路交汇的收费站，而构筑极化激元光电互联相当于将原来的收费站改造成立交桥，从而能够大幅增加传输通道和提升信息处理的速度。”

在前期研究的基础上，研究团队设计并构筑了微纳尺度的石墨烯/氧化钼范德华异质结，实现了用一种极化激元调控另一种极化激元开关的“光晶体管”功能。在戴庆看来，这项研究充分发挥了不同材料的纳米光子学特性，突破了传统结构光学方案如使用超材料和光子晶体等，在波段、损耗、压缩和调控等多个方面的性能瓶颈。

“相比人工结构，聚焦于材料自身的光子学特性是另一种更加直接获取光学功能的途径。”研究团队成员、国家纳米科学中心副研究员胡海打了个比方，“就像《舌尖上的中国》所说，高端的食材往往只需要最朴素的烹饪方式。利用简便的范德华材料堆叠，便可以实现奇异的光学调控功能，比如我们展示的负折射效应。”

所谓负折射，是指入射光与折射光在界面法线同侧的特殊物理现象。“简单来说，光沿‘错误’方向偏折了。”胡海解释说，“举个例子，负折射就像我们在镜中观察世界，与真实世界相比，一切都是颠倒的。”

“我们利用电学栅压对极化激元这种光波的折射行为实现了动态调控，使其从常规的正折射转变到奇异的负折射。这就好比可以像操纵电子一样操纵光子，这为将来高性能光电融合器件与系统的发展提供重要促进作用。”戴庆表示，在应用上，这项研究面向光电融合器件走向大规模集成缺乏高效、紧凑光电互联方式的重大需求，在科学上，研究为解决突破衍射极限下高效光电调制的难题提供新思路。