新型机制利用光子晶体在芯片上实现光聚焦

将光聚焦到与波长本身相当的微小体积内是一项至关重要的挑战，对众多应用具有重要意义。来自荷兰原子分子物理研究所（AMOLF）、代尔夫特理工大学（TU Delft）和美国康奈尔大学的研究人员展示了一种在极小尺度上聚焦光的新方法。该方法利用光子晶体的特殊性质，且相比其他方法能覆盖更广的波长范围。相关成果于4月18日发表在《科学进展》（Science Advances）上。

光聚焦对于光子芯片上的量子通信、光学传感器和片上激光器等技术应用至关重要。AMOLF研究组负责人Ewold Verhagen表示："目前我们有两种主要的光聚焦策略：一种是利用光学谐振腔，另一种是通过类似漏斗的波导压缩光场。第一种方法依赖共振效应，但会将光聚焦限制在特定波长；第二种方法类似传统透镜，但需要器件尺寸远大于光波长。"

图片:搜狗截图20250422122836.png

波导末端“壁”处的光聚焦的效果图

康奈尔大学Gennady Shvets团队提出的理论构想为这一新方法指明了方向。博士生Daniel Muis及其同事首次通过实验验证了该理论的核心机制——物理系统的拓扑特性。

Muis解释道："我们使用光子晶体（即具有规则微孔阵列的硅片），这种结构原则上会阻止光在硅片中传播。但当我们将两片具有镜像对称孔阵列的光子晶体并置时，其边界会形成一种波导：光只能沿边界传播。这种设计的独特之处在于，光的传导具有'拓扑保护'特性，能有效抑制晶体缺陷引起的光散射或反射。"

研究人员尝试在波导末端设置一道"光无法穿透的墙"，观察会发生什么现象。"由于光无处可去且反射被抑制，它应该在墙前不断积累，"Muis说，"虽然光最终会通过波导返回，但这一延迟过程导致了光场的局部增强。"

图片:搜狗截图20250422123321.png

左图：硅光子晶体的电子显微镜图像；右图：光子晶体内光强测量结果。

AMOLF的Verhagen团队与代尔夫特理工大学的Kobus Kuipers团队联合康奈尔大学研究人员，通过实验验证了这一理论预测。研究团队在AMOLF制备了硅基拓扑波导芯片。为观测光子晶体内光场积累现象，Muis使用代尔夫特理工大学特有的近场光学显微镜——通过晶体表面超薄探针扫描光场，该技术可将光强定位精度提升至比人类头发细千倍的尺度。

Muis表示："我们确实观察到拓扑波导末端光场的显著增强。有趣的是，只有当终止波导的'墙'以特定角度放置时，这种现象才会出现。这与康奈尔团队的理论预测完全一致。这证明了光放大效应与拓扑抑制反向反射直接相关。该方法的光场增强区域极小，与光波长尺度相当，且具有宽频带兼容性优势——可适用于多种不同波长。"

这篇由Muis与康奈尔大学Yandong Li共同贡献的论文，为片上光放大技术的进一步研究和应用提供了可行性方案。研究人员指出，该机制同样适用于其他结构化介质中的波动现象，包括声波甚至特定晶体中的电子波。

Muis展望道："下一步研究将探索脉冲激光下的光场持续积累时间窗口，以最大化场增强效应，并推动光学芯片上的光操控应用发展。"

相关链接：https://dx.doi.org/10.1126/sciadv.adr9569