为什么中红外光值得调控
中红外波段在现代传感中占据着特殊地位。分子在这些波长下以高度特异的方式吸收和与光相互作用，产生能够揭示物质本质的光谱指纹。这一特性支撑着中红外光谱学——研究人员依赖这项技术来识别生物材料、检测毒品并标记环境中的污染物。
传感并非唯一用途。中红外光还可以通过自由空间传输信息，使数据无需电缆或光纤即可在空气中传播。在这两种角色中，实际收益是相同的：研究人员对中红外光的控制越精确，探测器就越灵敏，通信链路的速度也就越快。因此，改善这种控制已成为一项核心工程目标。
大多数超表面的问题：在制造时就被冻结
超表面已成为解决这一控制问题最有前景的答案之一。这些是在纳米尺度上图案化的超薄结构，经过工程设计，使其几何形状能够塑造和引导光波，而不必依赖笨重的传统光学元件。
但有一个关键问题使许多超表面无法进入实际光子学系统。迄今为止展示的大多数超表面都是静态的：一旦纳米结构制造完成，其光学特性就被锁定。器件只能做它被制造出来要做的事，别无其他。一种可调谐光学元件——无需重建芯片即可按需改变其响应——一直是缺失的一环。
悬浮晶体硅改变了局面
由EPFL工程学院生物纳米光子学系统实验室（BIOS）的Hatice Altug领导的研究团队现已解决了这一瓶颈。该团队在悬浮的晶体硅薄膜上构建了超表面，并通过在硅内部诱导可移动电荷来对其进行调谐。结果是，该器件对光的响应可以实时改变，而无需对其物理结构进行任何修改。
材料和架构的选择是这一进展的核心。"通过使用纳米结构层悬浮在空气中的晶体硅，我们能够大幅降低通常限制传统中红外平台的光学损耗，"Altug说。
将纳米结构层悬浮起来，而不是将其留在固体衬底上，避免了在同类中红外设计中消耗性能的吸收和泄漏路径。该研究已发表在《Nature Communications》上。
两条调谐路径，无需触碰纳米结构
正如BIOS高级科学家Ivan Sinev所解释的，该团队展示了两种不同的调谐超表面的方法，同时保持其纳米结构不变。一种方法使用集成电极作为微加热器，施加局部热能来改变结构的光学行为。另一种方法依赖于该团队在描述这项工作时所强调的电荷原理：在硅内部移动电荷载流子以改变材料的光学响应。
这一区别很重要，因为它将热和电荷作为独立杠杆与器件本身的几何结构分离开来。由于纳米级图案在两种情况下都继续发挥作用，研究人员不必在每次需要不同光学行为时都重新设计和重新制造新结构。
从毫秒到十亿分之一秒
速度提升是主要成果之一。EPFL的器件在十亿分之一秒的时间尺度上调控中红外光，与早期可调谐方法典型的毫秒级切换相比，这是一个巨大的转变。
对于光子学系统而言，这种差异并非边际改进。以毫秒级重新配置光学元件，实际上就将其排除在任何需要快速调制的应用之外，例如高速数据编码或对快速移动和瞬态样品的测量。
在十亿分之一秒内切换打开了这两扇门。探测器前端可以在测量之间以跟上其所分析信号的速度重新配置。自由空间光学链路可以通过足够快地调制中红外光来印刻信息，从而支持高得多的数据速率。
创纪录的光学性能和晶圆级制造
这些器件还实现了研究人员所称的创纪录光学性能，与由类似材料构建的早期中红外平台相比，关键指标提升了一个数量级以上。可调谐性与大幅降低的损耗相结合，使该平台具有竞争力，而不仅仅是引人注目。
制造似乎也可以规模化。该团队生产了晶圆级薄膜，由1 cm²芯片组成，每个芯片带有7×7的超表面阵列。将许多结构集成到单个芯片上，指向了这样一个系统：其中一个器件的不同区域处理不同的光学任务，或者阵列被并行调谐。
下一步是什么
研究人员指出的近期应用沿着两条轨道展开。在传感方面，更好的中红外控制转化为更灵敏的探测器和更强大的光谱学，可用于识别生物样品、筛查毒品和监测污染物。在通信方面，它支持更快的自由空间光学链路，通过空气传输数据。两者都将受益于一种超薄、低损耗且可按需重新配置的元件。
更大的意义可能在于架构层面。多年来，超表面的固定性质使其主要局限于静态光学功能，而可调谐替代方案则依赖于牺牲性能的材料和机制。通过将悬浮晶体硅与基于电荷的调谐相结合，EPFL团队表明，可重构性不必以光学质量为代价。如果该方法能如晶圆级演示所表明的那样规模化，可调谐中红外超表面可能会从实验室奇观转变为为传感和通信设计的光子学系统中的标准构建模块。
本文基于Phys.org的报道。阅读原文。
Originally published on phys.org
