文章来源：中国光学
导读
固态光子源是光子学基础研究和前沿量子技术的核心器件。常见的固态量子发射器（如量子点和金刚石色心等）在室温下往往呈现宽光谱、全向发射、偏振不确定等问题，其特性如同调色盘在瞬间泼洒出所有色彩——绚丽斑斓却杂乱无序，难以驾驭。如何实现对固态光子源发射特性的精准、按需调控，一直是制约前沿光量子技术发展的关键瓶颈。近年来，通过引入微纳结构与量子发射器耦合，在一定程度上实现了对光子源特性的有效提升。然而，这些器件多数为静态结构，一旦制造完成，发射性能即被“冻结”，缺乏实时可调能力。构建具备动态可调的固态光子源，不仅可拓展其基本性能，更对实现多维度可重构的光子芯片系统具有重要意义。
近日，南丹麦大学纳米光学中心联合挪威SINTEF研究所与丹麦技术大学，提出了一种新型集成平台：将嵌有量子发射器的超构表面（QEMS）与微机电系统（MEMS）驱动的Fabry–Pérot微腔集成，开发出光谱与偏振动态可调的固态光子源。实验表明，该光子源可在宽波段范围内动态调谐，且调控精度高达埃米级（ångström-level）。基于该平台的可拓展性，研究人员更进一步设计了复合量子超构表面，实现了对发射光子波长和偏振的同步动态可调。该方案为构建可重构固态光子源提供了一种新范式。相关成果以“Ångström-tunable polarization-resolved solid-state photon sources”为题发表于Nature Photonics。阚银辉博士为论文独立第一作者和共同通讯作者，Sergey I. Bozhevolnyi教授为论文共同通讯作者。
超构量子发射器
量子发射器的自发辐射特性不仅取决于其自身能级结构，周围介电环境的改变同样会显著影响其辐射行为，即所谓的珀塞尔效应（Purcell effect）。因而，将量子发射器与纳米天线或纳米腔体结合，即可以增强其自发辐射速率。为了更大自由度地调控光子源的特性，该课题组近些年提出一种“超构量子发射器”（meta-QE）的策略：即在纳米尺度的量子发射器周围构筑精心设计的微纳结构阵列，形成量子发射器耦合超构表面（QEMS）。这种设计利用量子发射器激发出的表面等离激元（SPP）作为媒介，充分利用空间自由度在其周围排布微纳结构，从而在光子源处直接调控发射光子的特性。此前，该团队已基于这一思想报道了一系列成果，包括圆偏振和线偏振态单光子源（Adv. Mater. 32, 1907832, 2020; Adv. Mater. 36, 2304495, 2024），单模涡旋和矢量涡旋单光子源（Sci. Adv. 9, eadh0725, 2023; Sci. Adv. 10, eadq6298, 2024），定向发射和多通道光子源（ACS Nano 17, 20308, 2023; Nano Lett.24, 13867, 2024）等系列成果。上述研究在光子源处直接调控发射器特性，摆脱了对传统光学器件的依靠，但仍属于静态器件。
动态可调光子源：MEMS–QEMS
在最新的工作中，研究者提出了一种名为“MEMS-QEMS”的动态光子源架构：在量子发射周围加工精密设计的超构表面，再将之嵌入可调谐Fabry–Pérot微腔中，通过微机电系统实现动态调谐。微腔由一个高反射分布式布拉格反射镜（DBR）和一个可移动的MEMS反射镜组成。特别设计的布拉格反射镜（DBR）在532 nm激发光波段具有高透射率，而在纳米金刚石氮空位（NV）色心的发射波段具有高反射率（注：532 nm预留为激发窗口，625–725 nm覆盖NV色心室温发光主波段）。这种设计确保激发激光可以有效透射进入腔体，而腔内的自发辐射光则被DBR高度反射，从而在微腔内形成光学谐振。通过在MEMS薄膜上施加电压，能够精确控制腔长（即DBR与MEMS反射镜之间的间隔），从而调节微腔的谐振波长。这一设计利用电控方式动态改变腔模态，将传统静态光子器件“活化”为可实时调谐。值得一提的是，QEMS中的微纳结构将固态发射器激发产生的表面等离激元转换为高度准直的聚集光束，这有助于将光子更高效地耦合进入腔体。有效克服了未耦合超构表面的量子发射器存在的全向发射的问题。因此，与需要曲面反射镜收集光的常规设计不同，该芯片集成光子器件无需抛物面镜和大型定位组件，体积小巧，有利于应用于未来集成光子系统。
图1：MEMS-QEMS集成可调光子器件设计原理
图源：Nature Photonics
窄线宽及埃米级波长调谐
利用上述MEMS–QEMS平台，研究团队首先构建了同心环（Bullseye）结构耦合纳米金刚石色心，并将其集成在微机电系统控制的腔体中。在室温下，含有氮空位中心的纳米金刚石通常具有宽发射线宽（约100纳米），而集成后的光子发射器的线宽为3.7纳米（品质因子约180）。其所发射光子束的光斑呈现环状，通过旋转线偏振片证实了其径向偏振的属性。改变施加的电压，可以精准调控腔体长度，从而改变腔体响应频率，继而实现对光子发射器发射波长的控制，实验证实了光谱控制精度达到埃米级（约每 50 mV产生 0.8 Å 波长偏移）。
图2：窄线宽及埃米级可调光谱
图源：Nature Photonics
偏振-波长复用的复合量子超构表面
为了进一步展示该平台的功能多样性，研究者设计了复合量子超构表面，以实现多波长-偏振的复用发射。在以往的工作中，量子超构表面的设计通常针对单一特定波长展开。如果能使光子器件同时调控多发射波段，并让不同波段对应不同偏振态，将为光子源提供更多维度的信息编码能力。研究人员巧妙地将超构表面划分为不同区域，在各个区域内分别布置具有不同周期的微纳结构阵列，设计了两个子超构表面，使不同区域的结构分别对应不同的目标发射波长和偏振。围绕同一个预选的纳米金刚石，集成该复合量子超构表面，实现了：650纳米波长的光子由垂直偏振态主导，而700纳米波长的光子由水平偏振态主导，即为波长与偏振的空间解耦复用提供可能。
图3：偏振-波长复用量子超构表面设计及性能
图源：Nature Photonics
宽波段调谐及偏振动态切换
最后，研究团队将上述设计的复合量子超构表面集成到MEMS微腔平台中，验证了在同一器件上实现宽光谱范围的调谐以及偏振态的动态切换。通过调节驱动电压，QEMS–MEMS光子源的发射峰波长可在650 nm至700 nm的范围内调节；同时，由于不同波段的光子分别携带不同的偏振，因而，该设计同时实现了所发射光子的波长和偏振态的动态切换。实验证明两个态的动态可调的响应时间在亚毫秒级别，展示出优异的动态响应性能，通过采用更先进的微机电系统设计，有望将切换速度进一步提高到微秒量级，从而满足更高速的光子器件调控需求。
图4：宽波段调谐及偏振可切换光子源
图源：Nature Photonics
总结与展望
综上所述，该工作构建了一个MEMS–QEMS片上集成平台，将量子发射体超构表面与可调谐微腔结合，实现了固态光子源发射特性的多参量动态调控。在该平台上，不仅成功实现了室温窄线宽、埃级精度的光谱动态调谐，还通过设计复合超构表面实现了发射光波长和偏振态的同步动态切换，突破了传统固态光子源功能固化的限制。该集成方案具有丰富的可拓展性：例如，通过更精细的空间区域划分，可实现多个窄带发射波长和多种偏振态的灵活控制；再如，将当前的动态调控思想推广，还可望扩展到动态可调谐涡旋光子源以及更高维的结构光场调控。在本工作中，研究人员选用纳米金刚石氮空位色心作为发射体，但这一设计思路同样适用于其他类型的固态量子发射体（如量子点、稀土离子等），并可根据需求组合不同光子发射器与超构表面。可以预见，这一集成化的动态可调固态光子源平台及其多样的扩展能力，将为未来前沿光子学和量子技术应用提供新路径。
论文信息
Kan, Y., Thrane, P.C.V., Liu, X. et al. Ångström-tunable polarization-resolved solid-state photon sources. Nat. Photon. (2025).
https://doi.org/10.1038/s41566-025-01709-x
