暴涨72000倍！全新光学结构，大幅突破光信号转换效率

格拉茨工业大学（TU Graz）、哈佛大学与得克萨斯大学奥斯汀分校（UT Austin）的研究团队，结合新型半导体层与超表面，在光频率转换领域取得重大突破。该技术的光变换效率相比以往材料提升约72000倍。相关研究成果已发表于《自然‑纳米技术》期刊。

光作为信息传输介质早已被广泛应用，例如现代光纤网络就依靠光的线性传播实现通信。但仅靠线性传播，还无法满足复杂计算、量子技术、密码学，以及高精度测量所用的光频梳等场景的需求。这些场景需要非线性偏振，让光子之间发生相互作用并完成信息交换。

此前难以实现的小型化

“传统方案会使用铌酸锂这类大块晶体结构来实现光波的非线性耦合。” 格拉茨工业大学实验物理研究所的Marcus Ossiander介绍，“但这类方案需要很大的器件体积，同时消耗大量光能，长期以来制约了器件小型化，很多应用也因此难以落地。我们提出的新方法，可以在更小的结构中产生光的非线性偏振，并且大幅降低能耗。”

这款 “光转换器” 的研发构想，最初来自得克萨斯大学奥斯汀分校Seth Bank的研究团队。该团队利用分子束外延工艺，生长出包含非对称耦合量子阱的纳米级砷化镓‑铝镓砷半导体薄层。量子阱会把电子的运动空间限制住，从而形成类似原子的量子化能态。研究人员特意将量子阱设计为非对称结构，当受到光照时，电子会主要朝单一方向运动。在这种人工构建的 “单向通道” 内，会形成非对称、非线性的电子振荡，让光波之间能够实现极高效率的相互作用。

解决光入射的适配难题

不过这套得州团队开发的材料仍存在短板：想要充分发挥半导体层的全部性能，光线必须平行于薄层传播，这种入射条件在绝大多数实际设备中都很难实现。在工程实现条件下，电子无法沿着这条人工 “单向通道” 运动，绝大部分非线性效应就会损失掉。也就是说，材料性能优异，但缺少合适的手段来激发它的特性。

Marcus Ossiander随后提出关键思路：制作一块由数百纳米尺寸二氧化钛纳米柱精密排布而成的棋盘状超表面。把这块超表面直接放置在半导体层上方，就可以改变光路，使光线沿着上述单向通道散射传播。他与哈佛大学Federico Capasso课题组，尤其是Pernille Fathi合作，将该构想落地。借此，研究团队成功激发并进一步放大了半导体层的非线性光偏振效应。

实验过程中，研究人员观测到一个新现象：当光线垂直直射这套由超表面和半导体层组成的器件时，几何对称性会让各个光场相互抵消。但只要将样品仅仅倾斜0.3度，原有对称条件就会被打破，器件便可实现高效率的非线性偏振效应。

“我们在通信波段实现了效率提升72000倍的光变换。”Marcus Ossiander表示，“对比过去三四十年的成熟技术，这是一次巨大飞跃。更高的转换效率，意味着未来器件可以做得更小，同时能耗更低，例如数据中心内部计算机之间的信息传输场景。这项技术，无论对做集成光子学的光学厂商，还是需要处理海量数据的企业，都具备很高的应用价值。”