新型光子設備已可以兼顧靈敏與耐用。
長期以來，先進光子器件因製造困難而發展受限。近日，多所大學在光學設備製造領域取得了關鍵突破，解決了包括設備的可擴展製造、靈敏與耐久度兼顧等問題。
可擴展製造，邁出重要一步
思克萊德大學的研究人員開發了一種組裝超小型光控設備的新方法，為量子技術、電信和傳感領域先進光學系統的可擴展製造鋪平了道路。
這項發表在Nature Communications上的研究，重點關注光子晶體腔（PhCCs）。這些微米級結構能夠以極高的精度捕獲和操縱光線，是量子計算到光子人工智能等高性能技術的關鍵組件。
迄今為止，大規模光子晶體腔陣列的製造一直受到加工過程中微小變化的嚴重限制。即使是納米級的缺陷也可能極大地改變每個設備的光學特性，使得直接在芯片上構建相同單元的陣列成為不可能。
思克萊德大學領導的團隊設計了一種新方法，能夠將單個光子晶體腔從原始硅晶圓上物理移除，並將其放置到新芯片上，同時實時精確測量和分類每個設備的光學特性。
通過利用在思克萊德大學設計和建造的定製半導體設備集成系統，研究人員能夠以前所未有的精度和通量操縱和定位微觀光子設備，這標誌着向可擴展製造邁出了重要一步。
該論文的主要作者、思克萊德大學的Sean Bommer博士表示：“這是第一個同類系統，允許在集成這些設備時進行光學測量。”
“以前的方法，組裝這些設備感覺就像搭建樂高積木，但你不知道每塊積木的顏色。現在我們可以在組裝過程中測量它們的性能，這為創建更有效、更複雜的設計釋放了潛力。”
該團隊在一次操作中成功地根據諧振波長（材料或物體吸收或透射光線最強的特定波長）傳輸和排序了119個光子晶體腔，從而創建了一個傳統方法無法製造的定製陣列。
該集成平台還首次讓研究人員觀察到設備在打印過程中如何動態響應，揭示了從秒到小時時間尺度上的彈性塑性力學效應。
弗勞恩霍夫及英國皇家工程院片上光子學講席教授Michael Strain補充道：“在製造後重新排列這些微觀設備的能力是將其用作更大規模電路元件的關鍵一步。”
“我們現在正致力於將各種半導體設備組裝到單個芯片上，以創建用於電信、量子應用、傳感及其他領域的複雜、高性能系統。”
新型光子設備，兼顧靈敏與耐用
6月25日，加州大學聖迭戈分校的工程師們成功創造出了一種既高度靈敏又經久耐用的微型光學設備——這兩種特性長期以來被認為是根本不兼容的。
現在，由加州大學聖迭戈分校雅各布工程學院電氣與計算機工程系教授Abdoulaye Ndao領導的團隊，找到了克服這一矛盾的方法。
Ndao說：“我們的研究解決了這個關鍵挑戰。我們設計了既對環境高度敏感又對製造錯誤和材料缺陷具有魯棒性的新型光子設備。”該研究已發表在Advanced Photonics雜誌上。
這些設備依賴於一種被稱為亞波長相位奇點的物理現象。當光被限制在小於其自身波長的空間內時，就會發生這種現象，從而產生一個完全黑暗的點——光的強度降至零——而其相位則平穩地通過一個完整的周期。這種奇點既對周圍環境的變化高度敏感（使其成為傳感應用的理想選擇），又具有固有的耐用性，足以應對製造過程中的缺陷。
亞波長相位奇點是通過一種特殊設計的納米結構實現的。研究人員構建了一個芯片級設備，由兩層金納米棒夾着一層極薄的聚合物構成。底層嵌入在聚合物中，而頂層暴露在空氣中，可以直接與目標分子相互作用進行傳感。
每層中的納米棒都排列成行，彼此之間以特定角度略微扭曲。通過調整兩層之間的水平間距，研究人員可以精確控制層與光線的相互作用方式。
Ndao解釋說，一個特別有趣的現象是相位奇點，光的相位會突然發生變化，使其對外部變化極其敏感。這種特性在高精度探測器、光通信和成像方面具有巨大潛力，但實際應用一直充滿挑戰。大多數光學設備在平衡靈敏度和魯棒性方面都面臨困境——因為靈敏的設計通常很脆弱——而魯棒的系統往往缺乏精度。
Ndao表示：“這是第一個同時對製造缺陷具有高靈敏度和高魯棒性的設備。我們開發了兼具堅固性和高靈敏度的微型光學設備——這種組合以前被認為是不可能實現的。”
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