新器件设计，让光子、量子设备做得更小

哈佛大学约翰・A・保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的最新研究，为通信、量子通信以及其他光子技术打造更小、性能更强的元器件铺平了道路。

该研究出自Federico Capasso教授的实验室。Federico Capasso是应用物理学Robert L. Wallace讲席教授，同时也是电气工程Vinton Hayes高级研究员。研究将经过能带设计的多层半导体材料，与一类叫做超表面的特殊纳米结构器件相结合，研制出一款独特半导体器件。该器件拥有极强的混频与光波长转换能力，可工作在光纤网络极具应用价值的近红外波段。

这项研究由哈佛SEAS、得克萨斯大学奥斯汀分校、加州大学欧文分校联合完成，成果发表于《自然‑纳米技术》。

无论是课堂激光笔、生物医学传感器，还是量子计算机，如今很多光学器件都依赖非线性频率转换这一基础过程：高强度激光穿过特殊材料，就可以产生新频率（新色彩）的光。这类材料通常是铌酸锂、砷化镓等晶体，依靠自身原子结构自然实现光的色彩变换。

因此，现有光学器件受限于传统晶体的固有材料属性，很难做出体积小巧、可规模化生产的光子器件，制约了多项技术发展 —— 从用于GPS的芯片级原子钟，到超高速光纤通信，都受到影响。

这项新研究填补了材料设计与器件设计之间的鸿沟。研究团队不再被动接受传统晶体的非线性特性，而是把多层半导体与超表面进行协同设计，让器件内部电子态、光场、几何结构协同工作，在目标波长下实现高效的频率转换。

“这项研究巧妙地对底层材料做量子工程以增强非线性效应，同时搭配经过优化的超表面设计。”Capasso表示，“器件整体非线性响应得到大幅提升，并且可以适用于自由空间光学场景。”

多量子阱与超表面

研究团队选用砷化镓、铝镓砷晶体材料，生长出由超薄半导体层堆叠而成的多量子阱结构。通过精细调控各层厚度与排布，人为设计电子能级，实现强的光‑物质相互作用。关键在于，团队采用了不同于传统方案的电子跃迁方式，让量子阱能够产生强非线性效应，并且把工作波长拓展至更短的波段。

为充分释放该材料的性能潜力，研究人员在材料表面制备大量微小纳米柱阵列，也就是超表面。超表面可以在亚波长尺度束缚、调控光线，Capasso课题组正是超表面技术领域的顶尖团队。

超表面上精密设计的纳米柱，能够在多层半导体内部把电磁场调整到合适方向，同时将光场束缚在材料内部，提升结构内部光强；研究人员还对光场对称性做调控，让原本会相互抵消的光学相互作用得以发生。

多重效应叠加后，该器件的有效光非线性转换效率，相比未做图案化处理的原始晶圆提升了三个数量级，同时优于近红外波段同类器件已发表的性能，证明它在光纤网络领域具备应用潜力。

得克萨斯大学奥斯汀分校Seth Bank教授带领的合作团队负责多量子阱材料设计；Capasso课题组负责设计材料内部电磁场行为，“充分挖掘材料本身的性能潜力”，论文第一作者、Capasso实验室博士生Pernille Undrum Fathi说道。

兼容现有半导体制造工艺

这套全新平台全部采用成熟的化合物半导体材料与平面纳米加工工艺，能够兼容现有半导体产线。得益于极强的非线性响应，同类器件可以做得十分微型，同时维持高效的光频率转换能力。

潜在应用场景包括：芯片级频率转换器，生成激光器难以直接输出的特定波长光；还可以为光子量子通信、量子计算提供纠缠光子对光源。