我国在纳米尺度光操控领域取得重要进展 为下一代光子芯片奠定了基础

纳米尺度光控技术作为下一代信息技术的核心前沿,近年来在我国科研人员的不断研究下取得了一系列突破,为光子芯片的未来研发奠定了坚实的基础。这些进展主要集中在利用极化激元等新原理实现纳米尺度光的精确控制,解决了光电一体化的关键瓶颈。

极化激元技术被认为是实现纳米尺度光控制的关键途径。极化激元是一种由入射光和材料表面界面相互作用形成的特殊电磁模式,可以将光波长压缩到纳米尺度进行控制,从而突破传统光学衍射极限的限制。经过十多年的研究,国家纳米科学中心戴庆研究小组实现了极化激元的有效刺激和长途传输,成功创造了“光晶管”,首次实现了纳米尺度光从常规正折射到负折射的动态控制。该突破性研究于2023年2月在《科学》杂志上发表,充分发挥极化激元对光的高压缩和易于控制优势,为高效光电互联提供了新的解决方案。

在光电集成系统框架下,高效光电互联是核心基础。戴庆研究员用生动的比喻解释说:“光电互联相当于光电两条高速公路交叉口的收费站,极化激元光电互联相当于将原收费站改造成立交桥,可以大大提高传输通道和信息处理速度。”。研究小组设计并构建了石墨烯/氧化钼范德华异质结的微纳尺度,实现了一种极化激元调节另一种极化激元开关的“光晶管”功能。该方法突破了波段、损耗、压缩和调节等传统结构光学方案的性能瓶颈。

最近,中国科学家在纳米光控制领域取得了进一步的突破。2025年10月,上海交通大学、国家纳米科学中心等单位的研究人员成功实现了芯片上纳米光信号的有效刺激和路径分离,为下一代光子芯片的开发奠定了坚实的基础。研究小组创新地提出了“两步”的刺激策略:首先将普通激光转换为基本模式的纳米光波,然后通过极其光滑的黄金边界,通过散射巧妙地将其转换为所需的高阶光波。该方法不仅实现了室温下高阶光波的长距离、低损耗传输,而且通过精致的结构设计实现了纳米尺度光信号的路由功能。

与此同时,中国科学家在新纳米光子技术平台的研发方面也取得了重要进展。四川大学李志强的团队和合作伙伴首次通过渐变二维系统发现了开关和控制纳米光的新机制。他们在堆叠二维材料形成的莫尔超晶格中发现了一种新的纳米光控制机制——通过改变类壁的局部应变方向,可以实现极化激元和类壁之间的开关操作和连续控制。这一发现为下一代超小型多功能光子芯片的研发开辟了新的途径,特别是随着二维类壁控制技术的快速发展,类壁超晶格有望实现集成光子芯片的功能,在纳米尺度上灵活多样的“可编程”开关和控制光子。

在基础研究层面,中国科学家也取得了重大突破。国家纳米科学中心的研究人员成功地将10微米波长的红外光压缩成几十纳米波长的极化激元,并调节性能,以实现平面上的能量聚焦和定向传播。戴庆生动地比喻道:“这就像把大象放进粉笔盒里,让大象在里面自由活动。”。这种纳米尺度的光控能力为提高纳米成像和光学传感器的应用性能奠定了重要的基础。

除了极化激元技术,中国科学家在探索光控新机制方面也取得了创新成果。哈尔滨理工大学丁伟强教授系统总结了光学横向力和光学牵引力的研究进展。这些“异常光力”打破了传统光控制的限制,为微纳尺度控制提供了新的维度。光学牵引力是光与物质相互作用中的一种特殊机械效应,表现为光束在特定条件下对颗粒施加的逆向力;光学横向力是一种垂直于光传播方向的力。这些新型光控机制在生物医学、量子工程和深空探测中具有广阔的应用前景。

这些突破性进展充分展示了我国在纳米尺度光控制领域的创新能力和科研实力。通过探索多元化的技术路线,中国科学家为解决纳米尺度光控制的世界性问题提供了多种原创解决方案,从极化激元的“光晶体管”到高级极化激元的可控激发,再到莫尔超晶格调控的新机制。这些成果不仅促进了基础科学的发展,也为未来高性能信息设备的发展奠定了坚实的基础。

随着这些技术的不断成熟和完善,纳米尺度光控制有望在单分子诊断、体内手术机器人、抗干扰太空探测等领域发挥关键作用。特别是在光子芯片领域,这些突破性进展将大大促进光电集成系统的实际过程,为下一代高效、高集成、低能耗信息设备的建设提供核心技术支持。未来,随着纳米光控技术与人工智能、量子信息等前沿领域的深度融合,我们将迎来信息技术的新革命。

猜你喜欢

我国在纳米尺度光操控领域取得重要进展 为下一代光子芯片奠定了基础

小米17 Ultra双卫星版将于12月发布 小米17 Ultra双卫星版支持天通一号和北斗短报文

哈马斯拒绝接受加沙被外国托管 加沙未来治理仍面临多重分歧