超構材料光子集成芯片研究再獲新成果

　　“光”是世界上速度最快的信息載體，對光的捕獲和操控，就成為人們孜孜追求的目標。南京大學物理學院劉輝教授所在的課題組，結合國家在光子集成方面的重大需求和超構材料國際前沿領域，在超構材料光子集成芯片研究方面率先提出納米螺旋偏振器，用于調控光偏振信息；最早提出磁共振納米波導，在納米尺度下傳遞光信息；以及采用新技術制備光子黑洞微腔，實現高效率光子捕獲與探測等，使得光信號的調制、傳輸、探測三個階段獲突破。

　　 超構材料是科學家模擬自然界中的材料，設計并制造的一種新型人工微結構材料。劉輝教授從事微結構光電功能器件與材料研究，在超構材料光子芯片方面，他和研究團隊采用簡單而巧妙的旋涂加熱工藝，利用微球表面與聚合物薄膜接觸的表面張力，在一塊微小的光子芯片上，實現了折射率具有類似中心引力場分布的光學微腔。結果證明，與黑洞周圍引力場“視界”類似，這種微腔也存在一種臨界半徑，當光子的傳播路徑通過臨界半徑包圍的區域，光子就會被微腔捕獲，而當光子的傳播路徑在臨界半徑區域之外，光子不會被捕獲，只是路徑發生彎曲，實驗結果與理論很好的符合。國際著名超構材料專家Leonhardt教授評價這個工作是“第一次在光子芯片上，用簡單的實驗，精確而漂亮地演繹了愛因斯坦廣義相對論所描述的部分思想”。該成果2013年發表在Nature Photonics 國際光學期刊上；2014年，被美國物理學年會評為推薦報告，被中國激光雜志社評為“2013年中國重要光學成果”。與以前的大多數窄帶共振光學微腔相比，工作中報道的非共振光學微腔具有寬波段特性，可以捕獲較寬的連續波段內的光子，這也發展了光學微腔一種新的功能，可以應用于光子芯片上的寬波段激光器，光電探測，光伏器件等。

　　 目前，劉輝和研究團隊在光發射器方面，正努力將半導體發光材料集成在超構材料中，實現一種超小尺寸的光子芯片的納米激光器。同時，研制將獨立的光子器件集成在完整的超構材料光子芯片上，實現一個具有完整信息處理功能的超構材料光子芯片，并希望將他研制的超構材料光子芯片用于光子計算機。