電子系李越課題組在《自然·通訊》發(fā)文報(bào)道通過(guò)介質(zhì)集成光學(xué)摻雜實(shí)現(xiàn)近零指數(shù)概念器件

清華新聞網(wǎng)9月17日電 9月11日，清華大學(xué)電子工程系李越副教授課題組在《自然·通訊》（Nature Communications）發(fā)表了題為“用于近零指數(shù)器件的介質(zhì)集成光學(xué)摻雜”（Substrate-integrated photonic doping for near-zero-index devices）的研究論文，首次提出可與介質(zhì)集成的光學(xué)摻雜方法，實(shí)現(xiàn)具有近零指數(shù)電磁特性的功能器件，為新型芯片集成電路提供新的設(shè)計(jì)手段，在生物傳感、集成電路、功能材料等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

介質(zhì)集成光學(xué)摻雜的概念圖：（a）直線(xiàn)型結(jié)構(gòu)，（b）彎折型結(jié)構(gòu)

近零指數(shù)（near-zero-index）器件是一類(lèi)基于近零指數(shù)媒質(zhì)的功能器件，與傳統(tǒng)電磁器件相比，具有可形變、局部可調(diào)、場(chǎng)增強(qiáng)等特性。電磁波在近零指數(shù)媒質(zhì)中，呈現(xiàn)出一種空間靜態(tài)分布的特殊波動(dòng)效應(yīng)，包括近零的折射率和群速度，以及趨于無(wú)窮的波長(zhǎng)和相速度。2017年，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)電氣與系統(tǒng)工程系納德·恩赫塔（Nader Engheta）教授和李越副教授在《科學(xué)》期刊合作發(fā)表文章，首次提出基于近零指數(shù)媒質(zhì)的光學(xué)摻雜概念，將摻雜技術(shù)從微觀(guān)尺度移植于宏觀(guān)尺度，通過(guò)非序構(gòu)介質(zhì)摻雜的形式調(diào)控等效媒質(zhì)的磁導(dǎo)率，從而實(shí)現(xiàn)順磁、逆磁、理想磁體等多種模態(tài)控制，是一類(lèi)基于非周期結(jié)構(gòu)的等效媒質(zhì)理論。

介質(zhì)集成光學(xué)摻雜特性的實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)：（a）測(cè)試平臺(tái)，（b）近零反射、零相位、高群延時(shí)現(xiàn)象

以新理論的工程應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，本論文提出了基于介質(zhì)集成的光學(xué)摻雜方法，與典型集成電路工藝相結(jié)合，將光學(xué)摻雜對(duì)等效媒質(zhì)磁特性的調(diào)控表現(xiàn)為對(duì)芯片集成器件的電磁響應(yīng)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了多種近零指數(shù)功能器件。例如借助摻雜介質(zhì)內(nèi)局域場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)的高靈敏度生物傳感器、利用微弱的機(jī)械振動(dòng)的高效光聲調(diào)制器、可任意彎折形變且工作頻率不變的“電纖”（類(lèi)比于光纖）。此外，李越團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了介質(zhì)集成光學(xué)摻雜概念的電磁特性，觀(guān)測(cè)到零相移、高時(shí)延、摻雜介質(zhì)位置無(wú)關(guān)性和器件形狀無(wú)關(guān)性等，與解析理論預(yù)測(cè)和全波仿真結(jié)果吻合。

本論文的理論和實(shí)驗(yàn)工作均在清華大學(xué)完成，清華大學(xué)電子工程系為論文第一單位。李越和納德·恩赫塔為本文通訊作者，電子工程系博士生周子恒為文章第一作者。其他作者包括清華大學(xué)電子工程系博士生李昊、孫旺宇，西班牙納瓦雷公立大學(xué)伊涅格·里博洛（Inigo Liberal）博士。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（61771280）資助和清華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的支持。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-12083-y

供稿：電子系

編輯：李晨暉

審核：趙姝婧