一种无需包层的超紧凑波导阵列与光子回路的新原理

导读

如果提问：“不用墙或障碍物，可以建起一座迷宫吗？”你可能会说：“当然不行！”。直觉上，空间的分隔必须要依赖于墙等障碍物，正如高速公路上正反车道之间的隔离带一样。有趣的是，对光子来说，这个问题的答案却是：“可以！”。

近期，南京大学 赖耘 教授、王牧 教授和 彭茹雯 教授合作团队的最新研究成果突破了依赖于包层的传统波导物理图像，在纯电介质系统中提出了一种无需包层的超紧凑波导阵列与光子回路的新原理。他们通过原理性实验成功构建出与空气完美阻抗匹配且具有直角转弯功能的零间距波导阵列，展示了沿弯曲路径传播并遍历整个物理空间的无包层光子回路，就像是一座不用“墙”的光子迷宫一样。

该成果以 Ultracompact Photonic Circuits without Cladding Layers 为题发表于顶级物理类期刊《Physical Review X》（Phys. Rev. X 12， 011053 （2022））。并获 Physics 以Cladding-Free Photonic Circuits Boost Dense On-Chip Integration 为题发表专题亮点评论（（Physics 15， 39 （2022））。

该论文通讯作者为南京大学物理学院 赖耘 教授、王牧 教授和 彭茹雯 教授。南京大学物理学院博士生 宋彤彤 为第一作者。南京大学助理研究员 褚宏晨、苏州大学副研究员 罗杰 为共同一作。合作者包括荷兰埃因霍芬理工大学 曹子峥 教授、武汉大学 肖孟 教授。

Physics 点评：“这项研究显然推翻了一个在波导物理中被长期相信的准则—即为了操控光沿指定路径传播，阻止波进入的包层是必不可少的。通过将原波导系统中的包层变成了波导，片上信息传播的速度和容量可以大幅提升。而且，不用包层就操控波沿指定路径传播的能力—类似于不用中央隔离带建造高速公路一样—将允许把整个芯片空间用于光子集成的片上设计，从而达到微型化的绝对极限。可以想象，这个普适的机制可以应用于其他的波动系统，包括经典的和量子的，例如表面等离子激元和光量子计算机中的量子位操控。”

光子芯片使用光子来产生、处理和传输信息，与电芯片相比，具有速率快，功耗小，没有热效应，不存在电磁干扰等特点，在诸多应用领域拥有独一无二的优势。正如半导体芯片的摩尔定律一般，光子芯片也面临着如何进一步提升集成度这个重大的科学问题。为追求集成度更高的光波导，光子集成回路从低折射率对比的系统（如SiO₂-on-Si）转向高折射率对比的系统（如 Silicon-on-Insulator （SOI）），使波导芯层的截面积减少了两个数量级。

为了进一步提高集成度，人们还提出了等离激元波导和超高折射率波导等新方法。然而，在亚波长尺度下，光波导之间的耦合会造成严重的串扰，这使主要通过减小芯层来提高集成度的方法遇到了瓶颈。实际上，目前基于波导系统的光子芯片中，绝大部分空间都是包层，它们用来将光子限制在芯层中，就好像光子的“墙”一样。然而，包层造成了物理空间上的极大浪费，如何减小包层尺寸成为了光子芯片能否进一步集成的关键。

那么，有没有可能实现不用包层的光子芯片呢？从直觉上看，要在光子芯片中把包层去除似乎是不可能的，就好像不用墙构建一个迷宫一样。纵观波导发展的历史，包层一直以来都被认为是波导系统不可或缺的重要组成部分。例如，传统的光纤以及光学波导是基于从光密介质到光疏介质界面上的全反射原理，因此芯层外必须有相对低折射率的包层；光子晶体波导则是利用不允许光传播的光子带隙材料作为包层；近年来流行的等离激元波导和拓扑光子波导则是利用了表面等离激元或者边界态来传播，而边界的两侧是金属结构或者光学拓扑绝缘体构成的包层。这么看来，无包层的波导系统和光子芯片之前从未被实现过，甚至可能未被想象过。

在这项工作中，研究人员首次提出了一种不需要包层的波导阵列与光回路。在这种独特的波导系统中，整个物理空间都可以作为电磁波/光的传输通道，因此可以把空间利用率提升到最高。

研究人员设计了一种电介质超构材料/光子晶体波导，其空间色散曲线与普通介质的空间色散曲线在传播方向上是完全分开的。因此，普通介质中传播的光不能进入光子晶体，而在光子晶体中传播的光也不能进入普通介质。通过把这种光子晶体波导与普通介质波导组合起来就形成了无包层的新型波导系统。

研究人员通过微波实验展示了与空气完美阻抗匹配且具有直角转弯功能的零间距波导阵列。虽然相邻波导之间间距为零，却完全没有串扰，即光不会在波导之间传播。此外，还展示了沿弯曲路径传播并遍历整个物理空间的无包层光子回路，类似一座无“墙”的光子迷宫。通过基于硅和氧化硅设计，进一步证明了这个原理可以推广至光学频段。这些看似违反常识的结论为以后光子芯片的设计提供了更灵活的选择和最极端的空间利用率。

图 1 展示了普通介质波导，光子晶体带隙波导和无包层波导的对比示意图，右侧为对应的空间色散曲线（等频率曲线， Equal Frequency Contours）。普通介质波导的原理是全反射定律，光被低折射率介质（包层）限制在高折射率介质（芯层）中传播，对应于图 1（a）。光子晶体带隙波导则利用了具有光子禁带的光子晶体作为包层将光限制在芯层，对应于图 1（b）。

但是，如果存在两种介质 A 和 B，它们的空间色散曲线像图 1（c）右侧一样在k∥，即波导传播方向上是完全分开的，会发生什么现象呢？通过简单的分析，研究人员得到了一个结论：被限制在介质 B 中的光不能进入介质 A，被限制在介质 A 中的光也不能进入介质 B，即介质 A 和 B 都是芯层，但也可以互相作为彼此的“有效包层”！因此，传统波导物理中的包层其实并不是必要的。需要强调的是，A 和 B 介质中传播的光之间没有串扰，尽管它们之间的间距严格为零。

图 1：传统波导和无包层波导的工作原理。（a）普通介质光波导，（b）光子晶体波导，（c）无包层波导。右边代表了相应情况的等频率曲线。

是否存在这样的空间色散呢？现实中大部分材料的空间色散曲线都以布里渊区 Γ 点为中心，不符合图 1（c）的要求，因此能否实现一种“移位的空间色散”（shifted spatial dispersions）介质，成为了问题的关键。电介质超构材料/光子晶体由于其丰富的能带性质吸引了研究人员的目光。研究人员采用了介电常数为 12 的电介质，通过打破对称性的设计，在一定频率范围内实现了“移位的空间色散”。另外，这种光子晶体还被设计成和空气具有广角阻抗匹配（Phys. Rev. Lett.117， 223901 （2016））的性质，当入射波从光子晶体波导端口进入时，几乎不会有任何反射。

有了这种光子晶体波导，研究人员把它们与空气通道依次间隔排列，就可以形成一个无需包层的波导阵列，示意图如图 2（a）所示。图 2（b）是一个微波频段的无包层波导阵列的照片，它由 4 种不同厚度的光子晶体通道和空气通道构成，命名为A₁₋₄（超构材料波导），B₁₋₄（空气波导）。研究人员分别对每个端口分别激发微波，发现电磁波都被限制在相应的通道中。其中图 2（c、d）展示了A₃，B₃通道的结果。至此验证了无包层波导阵列的概念。

图 2：无包层波导阵列的仿真与实验验证。（a，b） 通过交替排列光子晶体和空气通道构建的无包层波导阵列的示意图与实验样品照片。（c，d） A₃，B₃通道独立激励下的仿真结果。

更有趣的是，研究人员发现，经过合理的设计，上述波导阵列可以实现曲率半径为零的直角转弯。图 3（a）展示了一个三通道直角转弯光路。对三个输入端的分别激发，便得到了图 3（c-e）的结果，通过进一步优化，可以将透射率提升至 95% 以上。不仅如此，研究人员还搭建一个沿弯曲路径传播的无包层光子回路，如图 3（b）所示。波从输入端进入，经历多个转弯后从输出端射出。其结果如图 3（f）所示。这种光子回路就像是一座不用“墙”的光子迷宫，光可以遍历整个物理空间，完全没有空间浪费，这在以前的光路设计中几乎是不可想象的。

图 3：波导阵列直角转弯和无包层光回路。（a，b） 无包层直角转弯波导阵列和无包层光回路装置示意图。（c-f） 在输入端口Iᵢ（i=1，2，3，4）的独立激励下的仿真结果。

值得一提的是，这种新原理对电磁波是普适的。由于采用了纯电介质设计，相应结果可以拓展到光频段。图 4（a）展示了一种光学设计，光子晶体由硅和氧化硅构成，工作波长为 1550 nm。观察光子晶体与氧化硅的等频率曲线可以看出，它们彼此没有交叠，因此这种光子晶体与氧化硅之间也构成互为包层的关系。图 4（b）给出了光子晶体在氧化硅中的透射谱，可见这种光子晶体和氧化硅在 ±30° 的角度范围内是阻抗匹配的。将这个光子晶体波导与氧化硅波导组合起来，便形成了一个双通道波导，其中光子晶体通道的宽度是 832.5 nm，氧化硅通道的宽度是 600 nm，平均通道宽度已经小于真空中半波长度（775 nm）。图 4（c）展示了光子晶体波导和氧化硅波导的仿真场强分布图，从中可以看出，即使传播了 1 cm 的距离，这两个零间距的通道之间也不会存在串扰。实际上，与传统波导系统完全不同的是，这两类通道在本质上是无串扰的，与传播距离无关。

图 4：光学频段的设计。（a）光子晶体的单元结构和工作频率下的等频率曲线。（b）氧化硅背景中光子晶体的角度透射谱。（c）零间距光子晶体和氧化硅通道各自传播 1000 μm 的强度分布图。

综上所述，研究人员通过构建无包层波导系统和光子回路，打破了波导物理学中基于包层的范式和物理图像。通过在相邻通道之间引入移位的空间色散，成功地将不能传输信号的包层转化为没有串扰的传输通道，使集成光子回路展现了前所未有的紧凑性和灵活性。整个物理空间都成为了光的传输通道，光芯片的空间利用效率达到极致。

理论上，这一原理对任意频段的电磁波和光波，乃至声波和机械波都是广泛适用的。这项研究成果表明，未来的波导和光子芯片领域或将迎来不需要包层的新时代。

论文信息

Ultracompact Photonic Circuits without Cladding Layers， Physical Review X 12， 011053 （2022）

https://doi.org/10.1103/PhysRevX.12.011053

审核编辑 ：李倩