电子工程系

Department of Electronic Engineering

清华大学电子系李越课题组在《自然·通讯》发文报道通过介质集成光学掺杂实现近零指数概念器件

9月11日,清华大学电子工程系李越副教授课题组在《自然·通讯》(Nature Communications)发表了标题为“用于近零指数器件的介质集成光学掺杂”(Substrate-integrated photonic doping for near-zero-index devices)的研究论文,首次提出可与介质集成的光学掺杂方法,实现具有近零指数电磁特性的功能器件,为新型芯片集成电路提供新的设计手段,在生物传感、集成电路、功能材料等领域有潜在应用价值。

介质集成光学掺杂的概念图:(a)直线型结构,(b)弯折型结构

近零指数(near-zero-index)器件是一类基于近零指数媒质的功能器件,与传统电磁器件相比,具有可形变、局部可调、场增强等特性。电磁波在近零指数媒质中,呈现出一种空间静态分布的特殊波动效应,包括近零的折射率和群速度,以及趋于无穷的波长和相速度。2017年,美国宾夕法尼亚大学电气与系统工程系纳德·恩赫塔(Nader Engheta)教授和李越副教授在Science上合作发表文章,首次提出基于近零指数媒质的光学掺杂概念,将掺杂技术从微观尺度移植于宏观尺度,通过非序构介质掺杂的形式调控等效媒质的磁导率,从而实现顺磁、逆磁、理想磁体等多种模态控制,是一类基于非周期结构的等效媒质理论。

介质集成光学掺杂特性的实验观测:(a)测试平台,(b)近零反射、零相位、高群延时现象

以新理论的工程应用为出发点,本论文提出了基于介质集成的光学掺杂方法,与典型集成电路工艺相结合,将光学掺杂对等效媒质磁特性的调控表现为对芯片集成器件的电磁响应调控,实现多种近零指数功能器件,例如借助掺杂介质内局域场增强效应的高灵敏度生物传感器、利用微弱的机械振动的高效光声调制器、可任意弯折形变且工作频率不变的“电纤”(类比于光纤)。此外,李越副教授团队在通过实验验证了介质集成光学掺杂概念的电磁特性,观测到零相移、高时延、掺杂介质位置无关性和器件形状无关性等,与解析理论预测和全波仿真结果吻合。

本论文的理论和实验工作均在清华大学完成,清华大学电子工程系为论文的第一单位。李越副教授和美国宾夕法尼亚大学电气与系统工程系纳德·恩赫塔(Nader Engheta)教授为本文通信作者,电子工程系博士生周子恒为文章的第一作者。其他作者包括清华大学电子工程系博士生李昊、孙旺宇,西班牙纳瓦雷公立大学的伊涅格·里博洛(Inigo Liberal)博士。本研究得到国家自然科学基金(61771280)资助和清华大学信息科学与技术国家实验室的支持。


论文连接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-12083-y