墨光周报 | 最新光学科技动态（5月13日-19日）

直径小于100 nm的颗粒可进入人体肺部组织的最深处，并且具备吸附有毒有机化合物的能力，因此有可能引发健康风险；它们需要复杂昂贵的设备来检测。荷兰埃因霍芬理工大学研究团队使用一种基于光子晶体腔的光纤尖端传感器，成功实时检测了单个直径50 nm的超细颗粒物。该传感器不仅具有紧凑的结构和简单的读出方案，还集 合了小模式体积、窄线宽和大调制深度，这些特性的组合使检测光纤尖端附近的纳米级扰动成为可能。相关研究成果发表于Optica。

研究背景

检测纳米级别的颗粒和分子，已经成为环境监测、医学诊断和药物开发等领域的关键需求。然而，它们极其微小的尺寸意味着只能在实验室条件下借助庞大且昂贵的专业设备进行检测。光纤传感器是一种广泛使用的传感器，具有微创性和对电磁干扰不敏感等特点，但是单个超细颗粒物的光纤传感尚未实现。

在半导体晶圆上制造纳米光子结构，然后通过各种方法转移到光纤尖端构成“光纤实验室（lab-on-fiber）”，是一种可能实现光纤单超细颗粒物传感的方案。其中，转移光子晶体腔(photonic crystal cavity，PhCC)是一种极具潜力的方法，PhCC具有极高的品质因数和超小的模式体积，因此适合于检测由单个粒子引起的微小局部折射率变化。

然而，PhCC共振模式和单模光纤模式的模式失配阻碍了二者的直接耦合，这使得难以精确测量反射光的谐振波长，限制了该类传感器的性能。如图1（a）所示，实际上标准的PhCC模式分布在红色线所示的大角度范围内，故仅有小部分按照黄色线所示耦合进入光纤中。该团队通过设计PhCC的结构参数解决模式失配问题，实现了光纤模式和PhCC模式之间的高效直接耦合。

图1 （a）PhCC光纤尖端传感器示意图，PhCC实际的(红色)和期望的(黄色)远场发射示意；（b）优化的L3结构示意图

PhCC结构的参数优化与制备

PhCC结构通常通过微调孔的位置来提高品质因数，引入能带折叠来提升模式耦合效率。但是该团队研究发现，仅依靠这两种方法较难实现性能的提升。于是他们使用一种基于半解析导模展开(guided mode expansion)仿真的开源梯度优化方法，使用COMSOL软件仿真计算耦合效率，以寻找在目标品质因数下实现最大耦合效率的结构参数。

仿真模型为二氧化硅衬底和带有六边形光子晶体孔洞的250 nm厚磷化铟层。如图1（b）所示，引入模式体积可调的L3缺陷结构（六边形晶格中去除三个孔），将20×14的集 合单体中心的三个孔移除，然后在x和y方向整体移动位置。以目标品质因数4400为例，优化后的耦合效率提升至优化前的16倍。

使用COMSOL软件仿真该结构参数下的远场电场分布情况，如图2所示，优化后电场被更紧密地限制在光纤的数值孔径内，并且电场在数值孔径和光锥之间的分布也明显减少。另外，更大的数值孔径能获得更高的品质因数和耦合效率。

图2 (a)优化前和(b)优化后的电场分布情况；傅里叶变换k空间结果，白色圆圈为光纤数值孔径，蓝色圆圈为光锥，黑色虚线为第一布里渊区

实际的PhCC结构使用标准的晶圆生长、光刻和刻蚀技术制造，借助显微镜和位移台转移到光纤尖端上。转移后将复合结构浸泡于异丙醇中一段时间，PhCC将永久附着在光纤尖端上，经过多次浸泡和干燥也不会脱落或对反射光谱产生明显影响。

近日，中国科学院上海技术物理研究所红外科学与技术重点实验室姚碧霂、陆卫团队与山东大学物理学院饶金威团队合作，并联合上海科技大学、华中科技大学和浙江大学等，在光诱导电子自旋强耦合态中构建奇异点，通过光电耦合位相调控以提升基于磁子（电子自旋集体激发）的频率梳的产生效率，创造了迄今为止磁子体系中频率梳齿数的最高纪录。

光学频率梳由离散光谱线构成，展现出等间距以及梳状的信号分布。光学频率梳提高了频率测量的精度，在卫星导航、精密距离测量、原子钟和分子识别等领域具有重要作用。光学频率梳的应用推进了其他物态频率梳的研究。电子自旋集体激发形成的磁子具有免疫焦耳热的优势，其灵活的自旋动力学调控特性是融合多种物态优势的优异载体。然而，常规的磁子频率梳因依赖材料的非线性效应，需要较高功率密度才能够产生有限的梳齿，这限制了其向高效、片上集成、可调节的磁子功能器件转化的进程。

此前，该团队发现光诱导磁子态的优势。该态与常规磁子模式不同，其有效磁矩受光诱导泵浦的相干控制且磁矩更低、阻尼更小，在驱动功率较低时能够引发较大进动偏角，形成非线性效应，促成磁子频率梳形成。该团队通过位相调控实现了对光诱导磁子耦合过程及其非线性响应的操控，增强了非线性耦合效应，达成了磁子频率梳的增长。这一增强效应不依赖于驱动功率的提高，而是通过优化非线性耦合过程实现的。此外，光诱导磁子的高度可调特性使得科研人员能够通过简单操控泵浦功率、频率和极化以控制磁子频率梳。

该研究融合了磁子频率梳与非厄米奇异点两个关键概念，展示了通过耗散来操控非线性磁子模式的能力，这对非厄米物理和磁子电子学具有重要意义。研究开发的高效磁子频率梳生成方法，推动了磁子电子学中宽频带、离散且相干自旋波源的研究，并有望在灵敏的光电检测应用中发挥建设性作用。

a、磁子模式（示意图中类比为陀螺）间的特殊耦合状态，能够提高磁子频率梳（示意图中表示为光带）的产生效率；b、利用奇异点增强磁子频率梳原理图；c、位相调控下磁子频率梳的增强

5月8日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员欧欣团队在钽酸锂异质集成晶圆及高性能光子芯片制备领域取得突破性进展。

随着全球集成电路产业发展进入“后摩尔时代”，集成电路芯片性能提升的难度和成本越来越高，人们迫切寻找新的技术方案。以硅光技术和薄膜铌酸锂光子技术为代表的集成光电技术可以应对这一问题。其中，铌酸锂有“光学硅”之称，近年来备受关注。

与铌酸锂类似，欧欣团队与合作者证明单晶钽酸锂薄膜同样具有优异的电光转换特性，在双折射、透明窗口范围、抗光折变、频率梳产生等方面比铌酸锂更具优势。此外，硅基钽酸锂异质晶圆的制备工艺与绝缘体上的硅更接近，因此钽酸锂薄膜可实现低成本和规模化制造，具有应用价值。

欧欣团队采用基于“万能离子刀”的异质集成技术，通过氢离子注入结合晶圆键合的方法，制备了高质量硅基钽酸锂单晶薄膜异质晶圆。进一步，合作团队开发了超低损耗钽酸锂光子器件微纳加工方法，使对应器件的光学损耗降低至5.6 dB m-1，这低于其他团队报道的晶圆级铌酸锂波导的最低损耗值。

该研究结合晶圆级流片工艺，探讨了钽酸锂材料内低双折射对于模式交叉的有效抑制，并验证了可以应用于整个通信波段的钽酸锂光子微腔谐振器。钽酸锂光子芯片展现出与铌酸锂薄膜相当的电光调制效率；同时，基于钽酸锂光子芯片，该研究首次在X切型电光平台中产生了孤子光学频率梳，结合电光可调谐性质，有望在激光雷达和精密测量等方面实现应用。当前，该研究已攻关8英寸晶圆制备技术，为更大规模的国产光电集成芯片和移动终端射频滤波器芯片的发展奠定了材料基础。