加州理工新微型芯片：74飞秒即可调控光束

光能够以极高速度传输海量信息，这也是光子技术被用于研发更快通信、更强算力以及高灵敏度传感器的原因。但要让这类系统正常工作，研究人员需要一种精准、且能极速改变光传播方向的手段。

加州理工学院的研究团队现已研发出一款器件，能够利用一束光在74飞秒（74千万亿分之一秒）内改变另一束光的传播方向。这个时间大约等于光穿过一根人类头发宽度所需的时长。“用光来操控光极具挑战，因为光和物质之间的相互作用通常非常微弱。借助光学超表面（经过精密纳米加工的超薄薄膜），我们可以提升相互作用强度，以更高效率实现这一目标。” 加州理工应用物理与材料科学Howard Hughes讲席教授、工程与应用科学学院Otis Booth首席主席Harry Atwater表示。相关研究成果近期发表在《自然・纳米技术》期刊。

传统光束调控存在速度上限

现有许多光束转向或光调制技术，依靠改变材料的电子特性实现，例如投影仪使用的液晶面板、通信系统里的光芯片。

在这类器件中，电子先被激发到高能态，再回落至低能态并释放多余能量。这种弛豫过程需要时间，形成性能瓶颈，通常将光调制速度限制在纳秒或皮秒（万亿分之一秒）量级。

Atwater团队采用了全新方案，不再依赖电信号。研究人员使用一束强光作为泵浦光，通过精心设计的光斑图案，临时改变材料的光学特性。

另一束强度更低的探测光穿过该材料，其传播方向会随泵浦光形成的图案发生偏转。

利用光学克尔效应

这套系统依托光学克尔效应工作：当强光束穿过材料时，会短暂小幅改变材料折射率。折射率描述了光在介质中传播时减速、弯折的程度。

该效应源于电子在原子轨道内的运动变化，轨道是原子核周围电子出现概率较高的区域。关键在于，电子不会被激发到独立、寿命更长的激发态。

因此，折射率的变化几乎可以随光脉冲同步出现、同步消失，无需等待激发态电子回落至低能级。但单独的光学克尔效应本身强度不足，无法将光束偏转到实用设备所需的角度。

纳米硅柱放大该效应

为增强响应效果，研究人员采用非晶硅薄膜制备超表面，薄膜上排布大量纳米柱，每根柱子尺寸都小于泵浦光波长。

通过精细调整纳米柱的尺寸与间距，团队让光在超表面内停留更长时间并在内部循环，而不是直接穿透。更长的相互作用时间放大了硅材料微弱的折射率变化，最终效应足以让探测光束发生偏转。

基于该设计，研究人员实现最高13度的光束偏转，最快仅需74飞秒。实验还证明，调制速度上限由泵浦脉冲时长决定（泵浦脉冲同样为74飞秒）。

进一步提速空间

研究人员表示，当前的速度限制来自驱动系统的激光脉冲，而不是超材料本身的基础物理特性。这意味着该过程还有进一步提速的潜力。经过持续优化，这项技术有望达到新兴光子概念所需的时间尺度，包括时间晶体与合成时变光学材料。