在集成光子学快速发展的背景下，如何在保持高密度集成的同时实现高效、灵活的导波调控，是当前波导器件面临的核心挑战之一。近日，哈尔滨工业大学物理学院周可雅教授科研团队在超表面与集成光子学领域的交叉研究中取得重要进展，提出了四种基于电介质硅超表面基元天线的氮化硅相位梯度超构波导器件。该研究以“All-dielectric meta-waveguides for high-density on-chip integration”为题发表于Nature Portfolio 旗下纳米光子学领域刊物npj Nanophotonics上，作者提出并设计了超构波导反射器、超构波导Fano共振器、超构波导Fabry–Pérot腔与超构波导多模开关等四种新型超构波导光子器件，为光子集成电路（PICs）的元件库提供了全新标准组件，在光通信、传感等领域展现出了巨大的应用潜力。
光子集成电路（PICs）作为光信息处理、量子计算和生物生化传感等技术的核心平台，其发展却受到传统光波导的这一最基本构件的限制和阻碍。如何在波导内实现对光信号进行多维度的操控，并且突破传统波导传输光的固有属性，仍面临着挑战。最近，新兴的超构波导为构建大规模紧凑型多功能光子器件开辟了一条新途径。通过将亚波长天线组成的超表面基元阵列有序排布在光波导上，可以在自由空间和片上波导内实现对导波的调控，并用于提升器件的性能以及实现新的功能。尽管超构光学的设计概念已经被移植到导波中，但是目前大多数研究仍集中在自由空间中对散射的导波进行调控。
与在自由空间调控导波的器件相比，利用基于超表面基元天线的超构波导在片上波导内的光调控功能性器件尚未得到完全的探究，部分超构波导器件设计采用了金属天线基元充当散射体以提供所需要的相位，这将会导致导波模式与表面波之间发生耦合并通过焦耳热耗散，不仅会产生较大的热效应影响器件的正常工作，而且存在制造复杂、与标准COMS工艺不兼容等问题。
全电介质相位梯度超构波导
如图1(a)所示，当导波模式(如：TE00)从左端口沿x轴正向入射时，对应的TE00模式将转化为高阶模式(如：TM10)并在右端口输出；同样的，根据洛伦兹互易定理，高阶波导模式(TM10)从右端口沿x轴负方向反向入射到该结构时也可以被高效的转换成低阶的模式(TE00)并从左端口输出。但是当使用金属基元以提供所需要的相位梯度时，如图1(b)所示，反向入射的TE00模式光最终会被耦合成表面波并且通过等离子体超表面的焦耳热而耗散。金属基元的使用将导致欧姆损耗和热效应的引入，这对于PICs显然是不被期望的。论文作者发现当采用全电介质基元提供相位梯度时，反向入射的TE00基模不会被耦合成表面波，并通过焦耳热耗散，而是将被高效率和高保真的反射，如图1(c)所示。
图1 相位梯度超构波导示意图，其中单向的相位梯度dΦ /dx可以由电介质Si或金属Au天线基元引入。(a) 在正向入射时，基于Si或Au基元的相位梯度超构波导都可以通过导波与相位梯度超表面基元的连续相互作用，将入射导波模式(如：TE00)耦合成更高阶的模式(如：TM10) 输出；(b) Au基元的相位梯度超构波导在反向入射时将TE00基模耦合成沿等离子体梯度超表面传输的表面波，其光功率将被完全吸收；(c) Si基元的相位梯度超构波导在反向入射时候将TE00基模完美高效的保真反射
超构波导反射器
所提出的超构波导反射器具有较大的制备容错率，且不受波导宽度限制。数值仿真表明：器件在宽带（>200 nm）范围内实现了对TE00模光的高保真反射，且反射率能高达97%。
图2超构波导反射器。(a) 紧凑型全电介质相位梯度超构波导的俯视示意图；(b1-b4) 正向入射时全电介质相位梯度超构波导作为模式转换器，将TE00基模转换为TM10高阶模：Ey场分布(b1)、Ez场分布(b2)、坡印廷矢量P分布(b3)以及E场分布(b4)；(c1-c4) 反向入射时全电介质相位梯度超构波导作为TE00基模反射器：Ey场分布(c1)、Ez场分布(c2)、坡印廷矢量P分布(c3)以及E场分布(c4)；(d) 正反向入射时左右端口的透射率与反射率；(e) 不同波长下波导宽度对反射率的影响
超构波导Fano共振器
所提出的超构波导Fano共振器巧妙利用了离散共振的TE00模式与连续传输的TM10模式之间的干涉，实现了在宽光谱范围内所有的共振模式均为Fano线形，并具有较高的品质因子，可适用于片上传感系统。
图3 超构波导Fano共振器。(a) 紧凑型超构波导Fano共振器的俯视示意图；(b1) 在共振波长（1567.83 nm）处超构波导Fano共振器的Ey与Ez场分布；(b2) 在非共振波长（1571.24 nm）处超构波导Fano共振器的Ey与Ez场分布；(c) 右侧端口的透射光谱，插图为其中一共振波长处的Fano共振拟合曲线和Q值
超构波导Fabry–Pérot腔
所提出的超构波导FP腔则以紧凑结构支撑了多波长光滤波与传感，性能媲美传统微环谐振器，为片上信息处理与传感系统提供了多功能集成方案。
图4 超构波导FP腔。(a) 全电介质超构波导Fabry–Pérot腔结构示意图；(b) 在共振波长（1532.63 nm）与非共振波长（1533.60 nm）处超构波导FP腔的Ey场分布；(c) 右侧端口透射谱，插图为其中一共振波长处的Lorentz共振拟合曲线和Q值
超构波导多模开关
通过调控单元MZI双臂之间的相位差，基于MZI网络所设计的超构波导实现了主动可调的多模选择性开关输出。该器件可以支持大规模的扩展，并为模分复用通信系统与多维度光互连提供新的解决方案。
图5 超构波导多模开关。(a) 可调谐全电介质超构波导多模开关示意图；(b) 实现TE00基模向不同模式转换所需的超构波导转换器基元排布示意；(c) 单个MZI结构的透射谱。(d) 三端口多模开关在1755 nm波长处的输出电场E分布
本工作提出的“全电介质相位梯度超构波导”体系，在结构尺寸、集成灵活性、制备容错率方面均表现出显著优势，适用于构建片上反射器、Fano共振器、窄带滤波器、模式转换等核心功能单元，为下一代高密度集成光子芯片系统中的“光路调控”提供了工程可实现的解决方案。未来，该机制亦有望与更多器件平台结合，构建可编程或动态调控的超构波导网络，为发展具备逻辑运算、神经网络、边缘光计算等功能的光子芯片系统奠定物理基础。
团队介绍
本工作由哈尔滨工业大学物理学院周可雅教授课题组完成，硕士研究生王俊为论文第一作者，团队长期从事超表面、光子晶体与集成光子芯片相关研究。
🔗原文链接：
https://www.nature.com/articles/s44310-025-00069-2
