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ACS Photonics: 零折射率波导研究有新发现

已有 520 次阅读 2017-10-10 16:47 |个人分类:新科技|系统分类:科研笔记|关键词:零折射率波导(zero-index waveguide),Harvard SEAS

ACS Photonics: 零折射率波导研究有新发现

诸平

据美国哈佛大学约翰·A·保尔森工程和应用科学学院(Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied SciencesHarvard SEAS)2017109提供的消息,SEAS的研究人员首次直接看到无限长波长而且零折射率波导zero-index waveguide可以与目前的硅光子技术兼容

2015,哈佛大学SEAS的研究人员研发了折射率为零第一片超材料metamaterial,这意味着光的相位可以延伸无限长。 超材料代表一种可以来操纵光新方法而且是向光子集成电路integrated photonic circuits迈出的重要一步,光子集成电路使用光而不是电子来执行各种各样的功能。

现在,SEAS研究人员进一步推动此项技术向前发展,正在开发一种可以与目前硅光子技术兼容的零折射率波导。在这一过程中,SEAS研究小组观察到一种物理现象,而且通常是驻波难以观察到的现象。相关研究结果已经在美国化学会主办的《ACS光子学》(ACS Photonics 杂志网站上发表,哈佛大学科技发办公室The Harvard Office of Technology Development已经提交了一份专利申请正在探索商业化之路

一种波长光穿过一种材料,其波峰和波谷会受到压缩或拉伸,这取决于材料的性质。究竟一种光波有多少波峰被压缩,表示为一比例被称为折射率(the refractive index),折射率越高,波长越扁平。

当折射率减少到零时,光不再表现像一移动的波,而是以一系列的波峰和波谷在空间穿越将一系列的波峰和波谷称为相。相反,无限延长,创建固定相constant phase而此相仅仅随时间震荡不会因为空间变化而震荡

这对集成光子学来说是令人兴奋的,因为大多数光学设备使用两或两以上的波之间的相互作用,因此当其穿过电路时,就需要不同波之间必须同步传播。如果波长无限长,光的波长匹配不是一个问题,因为场无论在何处都是一样的。

但在2015年的最初突破之后,研究小组遇到了22条军规catch-22。 因为研究团队使用棱镜测试芯片上的光是否确实是无限延伸,所以所有的设备都要搞成棱镜形。但对于集成电路来说,棱镜并不是特别有用的形状。团队想要开发一种设备,而且该设备可以直接插入到已有的光子电路之中,为此最有用的形状是一个直导线straight wire或波导waveguide

Real-time, unprocessed video of standing waves of light in a 15-micrometer-long, zero-index waveguide taken with an infrared camera. The perceived motion is caused by atmospheric disturbances to the free- standing fibers that couple light onto the chip, changing the relative phase between the two incoming beams. Credit: Harvard SEAS

网络上也有哈佛SEAS提供的用红外相机拍摄的15μm长、零折射率波导实时、未经处理的驻波视频。认为感观运动是由大气对独立纤维扰动引起的。独立纤维将光映射到特定芯片上,改变了两个入射光束之间的相对相位。

由哈佛SEAS巴尔坎斯基物理学教授(Balkanski Professor of Physics埃里克·马祖尔(Eric Mazur领导的研究小组,建立了一种无需棱镜帮助的波导,但是,尚未有简单的方法来证明是否其折射率为零。此外,博士后研究人员奥拉德·雷瑟夫(Orad Reshef和菲利普·穆尼奥斯Philip Camayd-Muñoz提出了一个主意。通常,因为光的波长太小,振动又太快以至于无法进行测量只能取其平均。看到波长的唯一方法就将两波组合使其产生干涉可以想象为吉他上的琴任意一端都需要固定。当妙手弹拨时就会发出一连串的音符,是波穿过弦受到固定一端的影响会再次返回,创建了两种运动方向相反而频率相同的波。这种干涉称为驻波。

奥拉德·雷瑟夫和菲利普·穆尼奥斯同样的想法应用到光波导。他们通过创建一驻波设备使用相反方向的光束照射牵制光。个波仍迅速振荡的振荡频率相同,振荡方向相反,味着在特定点们相互抵消而在它一些有相互叠加,创建种全亮黑模式。因为零折射率材料,哈佛SEAS研究团队已经看到可以使波长伸展足够大。

这可能就是前所未见的具有无穷长波长驻波也是首次看到的,之前从来没有见过

最近已经加拿大渥太华大学University of Ottawa得到了一职的奥拉德·雷瑟夫博士我们能够观察到零折射率的一种惊人演示以如此低的折射率通过一种媒介传播可使这些波的特征得以拓展,人们可以用普通显微镜就可以看到。是因为这些波的特征以的形式通常太小无法直接检测

菲利普·穆尼奥斯博士对于硅光子学工具箱增加了的一个重要工具。在零折射率体系内存在奇异的物理学,现在我们将其引入集成光子学integrated photonics。这是重要的,因为它意味着我们可以直接插入到传统光学设备之中,为零折射率现象zero-index phenomena找到真正的用途。在未来,量子计算机可能是基于激发态原子网络,而激发态原子通过光子进行沟通的。原子的相互作用范围大致上与光的波长相等。通过使波长延伸变得更长,我们可以按比例扩大量子设备启用远程交互。更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

A zero-index waveguide: Researchers directly observe infinitely long wavelengths for the first time

To infinity and beyond: Light goes infinitely fast with new on-chip material




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