晶圆级光子超界面结构实现深亚波长光场调控

近日,徐亚东副教授课题组提出了一种深亚波长尺度下的光场调控新结构——光子超界面(Photonic hyperinterfaces),与中科院上海微系统与信息技术研究所欧欣研究员课题组合作,实现晶圆级大面积制备,通过几何旋转改变超界面上的光子能带特性来操控整体材料的光学特性,相关成果以Photonic hyperinterfaces for light manipulations为题发表在光学高水平期刊Optica上。

光学超材料,因其独特的光场调控能力引起了科学界广泛关注。根据等效介质理论,光学超材料因其周期单元的特征尺寸远小于工作波长,可被视为均匀介质,因而可以认为光学超材料内部深亚波长尺度的界面对光学传输影响极小。然而,现有研究表明超材料的实际光学特性与等效介质理论的预测结果可能差异较大。因此,在某些情况下光学超材料周期单元内部的光场分布需要慎重对待。另一方面,由于结构复杂,大多数光学超材料难以实现高效、大面积的制备。这就要求我们在设计超材料时,结构相对简单;然而,简单的结构可能会导致微不足道的光学特性。这就需要探索超越传统方法的光场控制方法。

  结构超材料(SMM)和光子超界面(Photonic hyperinterfaces)的概念。(a)由深亚波长厚度的Ag/Si多层膜构成的双曲超材料(HMM)结构示意图;(b)左:通过顺时针和逆时针旋转图(a)所示的HMM并将其周期性排列而构成SMM;右:基于等效介质理论,顺时针和逆时针旋转后的HMM可等效为均匀介质MAMB。因此,在SMM内部存在两种不同的超界面IFAB(红色虚线箭头标注)和IFBA(白色虚线箭头标注);(c)图(a)所示HMM的等效介电常数的实部;(d2英寸的Zigzag衬底图像;(eZigzag衬底的截面TEM图像;(f)图(d)所示Zigzag衬底不同位置的SEM俯视图;(g)实验制备的SMM的截面TEM图像。

研究团队将沿不同方向旋转后的双曲超材料单元(MAMB)周期性排列,构建了一种新的光学超材料(SMM),其内部周期性双曲超材料单元间的界面即为光子超界面。研究发现,即使在长波极限条件下,SMM的光学吸收不仅取决于旋转后的双曲超材料单元(MAMB)本征吸收特性,还取决于SMM内部的亚波长光子超界面的光学特性及其周期。上述现象归因于亚波长超界面特殊的色散关系,该特殊色散关系可裁剪并重组超界面处的能流分布;同时,该色散关系可以通过调整双曲超材料单元的渐近线夹角及其旋转角度来调控。实验结果证实了理论发现,尽管与模拟结果略有差异(因Zigzag多层膜逐渐平滑)。研究团队提出的超界面可能为高效太阳能电池和光电探测器提供新的设计思路。论文第一作者是中科院上海微系统与信息技术研究所生张师斌博士,该工作是张师斌博士在徐亚东副教授课题组一年访问研究期间,在徐亚东副教授指导下合作完成的。

    一图读懂超界面:

    文章链接:https://doi.org/10.1364/OPTICA.392356  

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