新型光子设备已可以兼顾灵敏与耐用。
长期以来，先进光子器件因制造困难而发展受限。近日，多所大学在光学设备制造领域取得了关键突破，解决了包括设备的可扩展制造、灵敏与耐久度兼顾等问题。
可扩展制造，迈出重要一步
思克莱德大学的研究人员开发了一种组装超小型光控设备的新方法，为量子技术、电信和传感领域先进光学系统的可扩展制造铺平了道路。
这项发表在Nature Communications上的研究，重点关注光子晶体腔（PhCCs）。这些微米级结构能够以极高的精度捕获和操纵光线，是量子计算到光子人工智能等高性能技术的关键组件。
迄今为止，大规模光子晶体腔阵列的制造一直受到加工过程中微小变化的严重限制。即使是纳米级的缺陷也可能极大地改变每个设备的光学特性，使得直接在芯片上构建相同单元的阵列成为不可能。
思克莱德大学领导的团队设计了一种新方法，能够将单个光子晶体腔从原始硅晶圆上物理移除，并将其放置到新芯片上，同时实时精确测量和分类每个设备的光学特性。
通过利用在思克莱德大学设计和建造的定制半导体设备集成系统，研究人员能够以前所未有的精度和通量操纵和定位微观光子设备，这标志着向可扩展制造迈出了重要一步。
该论文的主要作者、思克莱德大学的Sean Bommer博士表示：“这是第一个同类系统，允许在集成这些设备时进行光学测量。”
“以前的方法，组装这些设备感觉就像搭建乐高积木，但你不知道每块积木的颜色。现在我们可以在组装过程中测量它们的性能，这为创建更有效、更复杂的设计释放了潜力。”
该团队在一次操作中成功地根据谐振波长（材料或物体吸收或透射光线最强的特定波长）传输和排序了119个光子晶体腔，从而创建了一个传统方法无法制造的定制阵列。
该集成平台还首次让研究人员观察到设备在打印过程中如何动态响应，揭示了从秒到小时时间尺度上的弹性塑性力学效应。
弗劳恩霍夫及英国皇家工程院片上光子学讲席教授Michael Strain补充道：“在制造后重新排列这些微观设备的能力是将其用作更大规模电路元件的关键一步。”
“我们现在正致力于将各种半导体设备组装到单个芯片上，以创建用于电信、量子应用、传感及其他领域的复杂、高性能系统。”
新型光子设备，兼顾灵敏与耐用
6月25日，加州大学圣迭戈分校的工程师们成功创造出了一种既高度灵敏又经久耐用的微型光学设备——这两种特性长期以来被认为是根本不兼容的。
现在，由加州大学圣迭戈分校雅各布工程学院电气与计算机工程系教授Abdoulaye Ndao领导的团队，找到了克服这一矛盾的方法。
Ndao说：“我们的研究解决了这个关键挑战。我们设计了既对环境高度敏感又对制造错误和材料缺陷具有鲁棒性的新型光子设备。”该研究已发表在Advanced Photonics杂志上。
这些设备依赖于一种被称为亚波长相位奇点的物理现象。当光被限制在小于其自身波长的空间内时，就会发生这种现象，从而产生一个完全黑暗的点——光的强度降至零——而其相位则平稳地通过一个完整的周期。这种奇点既对周围环境的变化高度敏感（使其成为传感应用的理想选择），又具有固有的耐用性，足以应对制造过程中的缺陷。
亚波长相位奇点是通过一种特殊设计的纳米结构实现的。研究人员构建了一个芯片级设备，由两层金纳米棒夹着一层极薄的聚合物构成。底层嵌入在聚合物中，而顶层暴露在空气中，可以直接与目标分子相互作用进行传感。
每层中的纳米棒都排列成行，彼此之间以特定角度略微扭曲。通过调整两层之间的水平间距，研究人员可以精确控制层与光线的相互作用方式。
Ndao解释说，一个特别有趣的现象是相位奇点，光的相位会突然发生变化，使其对外部变化极其敏感。这种特性在高精度探测器、光通信和成像方面具有巨大潜力，但实际应用一直充满挑战。大多数光学设备在平衡灵敏度和鲁棒性方面都面临困境——因为灵敏的设计通常很脆弱——而鲁棒的系统往往缺乏精度。
Ndao表示：“这是第一个同时对制造缺陷具有高灵敏度和高鲁棒性的设备。我们开发了兼具坚固性和高灵敏度的微型光学设备——这种组合以前被认为是不可能实现的。”
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