超材料前沿研究”一周精选 2019年7月15日-7月21日

未来的无线通信网络将需要处理每条链路数十甚至数百Gbit每秒的数据速率，需要未分配的THz频谱中的载波频率。在这种情况下，THz链路与现有光纤基础设施的无缝集成对于补充无线网络的固有便携性和灵活性优势以及光传输系统的可靠且几乎无限的容量非常重要，在技术层面，这需要新颖的设备和信号处理概念，用于在THz和光域之间直接转换数据流。

无线通信网络中的数据流量正在经历爆炸性增长，并且到2021年将占整个互联网流量的60％以上。为了应对相关的容量挑战，无线通信网络将需要在未分配的情况下利用低大气衰减的频率窗口的THz光谱超过0.275 THz，此外，未来无线链路与光纤基础设施的紧密集成将至关重要，例如在太赫兹光纤（ToF）或光纤天线架构中。这需要光纤和无线THz通信前端之间的无缝连接。

来自Karlsruhe Institute of Technology (KIT)的S. Ummethala等人演示了一种THz链路，该链路通过无线接收器上的直接THz到光（T/O）转换无缝集成到光纤网络中。利用超宽带硅等离子体调制器，具有超过0.36THz的3dB带宽，用50Gbit s-1数据流T/O转换，通过16 米长的无线链路传输在0.2885 THz载波上无线发射器处的光学到太赫兹（O/T）转换依赖于单行星载波光电二极管中的光混合。这是首次演示将无线数据信号从太赫兹载波直接转换到光域而无需下变频到基带或中频，超紧凑型设备中直接O/T和T/O转换的组合有可能大大加速THz通信并推动THz无线链路集成到光纤基础设施中。相关文章发表在杂志《Nature Photonics》上。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41566-019-0475-6#data-availability

随着下一代信息系统的开发应用，例如雷达、成像和通信系统，这就要求模数转换器(ADCs)必须具备高速、宽带和精确的特性; 传统上，在现代信息系统中，由于电子元件制造技术的成熟，电子模数转换实现了高精度量化和操作稳定性;然而，它们的带宽限制和高时钟抖动缺点阻碍了下一代宽带高精度ADCs信息系统的发展。在光子技术的推动下，带宽限制和时钟抖动等瓶颈问题得到了很好的解决。然而，由于光子器件的性能和组装等问题导致了系统存在一定的缺陷，并会影响ADCs的性能，因此设计一种先进的ADC结构仍然具有挑战性。最近，深度学习技术在计算机视觉、医疗诊断和游戏等人工智能应用领域取得了长足的进步。通过构建多层神经元并应用适当的训练方法，可以自动提取图像、音频和视频中的数据，并将其用于未知数据的推理。因此，机器学习技术，包括深度学习，可以为光子应用提供强大的动力。

近日，上海交通大学邹卫文等人提出了一种基于深度学习的光子ADC架构方法，它同时利用了电子和光子的优势，克服了这个技术的瓶颈，从而使得ADC在速度、带宽和精度上都有显著的提升。实验中，研究人员采用的深度神经网络通过监督训练，学习光子系统缺陷的模式，并对失真数据进行恢复，从而简洁、自适应地保持了电子量化数据质量。数值和实验结果表明，该体系结构性能优于现有的ADCs，具有高速的数据处理能力。因此，可以认为深度学习在光子ADC系统中具体非常好的应用价值。该架构给未来高性能的光子模数转换器设计提供一种现存的思路，并为下一代信息系统的开发应用奠定基础，特别是在高频和宽带场景中，如超宽带雷达、高分辨率微波成像和先进的RF测量。相关研究工作发表在《Light: Science & Applications》上。

文章链接：

Shaofu Xu et al. Deep-learning-powered photonic analogto-digital conversion. Light: Science & Applications (2019) 8:66.

与复合半导体光子学或硅微电子学的发展速度相比，工业中硅光源不足往往是导致硅光子学发展相对缓慢的主要原因。然而，硅仍然是许多行业的首选材料，如光通信、高性能光学计算和传感器。因此，在通信波段(约1550 nm)的可调谐集成硅光源的需求很大。实现可调谐、高效的硅基光源可以在光电超大规模集成(VLSI)、中红外传感、光电显示器和照明等领域得到广泛的应用。虽然已经实现了作为唯一部分消除非辐射衰变过程的有限效率的硅发光二极管(LEDs)与带隙工程结构的开发。但这类应用的关键限制是，辐射光子仍然必须遵守硅的间接带隙跃迁规律，以及面临非辐射过程(如俄歇复合)的短寿命问题。为了克服晶体硅固有辐射的有限可调谐性和低效率问题，科学家开发了更复杂的制造技术，从多孔硅和硅纳米晶体等改性体硅中提取光。然而，制造这些低维硅系统受到基础和实际挑战的阻碍，例如高退火温度，这阻碍了它们集成到现有的CMOS制造工艺中。总之，从硅中提取光是现代工程学和物理学中一个长期存在的挑战。尽管硅支撑了过去70年的电子技术进步，但一种简便、可调、高效的硅基光源仍然难以实现。

近日，美国麻省理工学院Charles Roques-Carmes等人，通过实验演示了一维全硅纳米光栅可调谐辐射的产生。光是由这些纳米光栅与低能量自由电子(2~20 keV)相互作用自发辐射产生的，记录的波长范围为800~1600 nm，其中包括硅透明窗。证明了纳米硅光栅产生的可调谐自由电子光的效率接近金属光栅效率。从理论上论证了一种紧凑的、全硅可调谐光源的可行性，该光源由硅场发射阵列和硅纳米光栅集成而成，以通信波长发射。该研究结果揭示了CMOS兼容的电泵硅光源在中红外和通信波长的应用前景。相关研究工作近日发表在《Nature Communications》上。

文章链接：

Charles Roques-Carmes et al. Towards integrated tunable all-silicon free-electron light sources. Nature Communications. (2019) 10:3176.

鬼成像是基于多次相关测量的一种间接成像技术，因为较高的抗干扰能力，深刻的物理内涵，吸引了很多人的关注。鬼成像最开始需要使用纠缠光源，随后的深入研究发现，使用相关的热光源也可以实现，也就衍生出后来的单像素成像。鬼成像最初在空间域中演示了如何重建几何图像，只需要用不同pattern的结构光照射成像物体，然后使用没有空间分辨能力的点探测器探测透射光或者反射光的强度。这样我们对多种pattern和探测器的光强进行相关计算就可以重构被成像物体的几何形状。在空间鬼成像之后，人们开始关注时间域中应用鬼影成像概念。无论在哪个领域应用鬼影成像，最终的测量分辨率是由探针模式波动的特征尺度和可测量的响应分辨率决定的。时域鬼成像中，对光强时间变化的快速捕捉和高分辨率测量至关重要。然而，由于这种探测器并非在所有波长上都可用，这显著限制时间鬼影成像的应用，特别是对红外光谱区域较长波长的测量。

最近，来自坦佩雷大学（Tampere University），中国电子科技大学（University of Electronic Science & Technology of China）等单位的研究人员通过波长转换将探测激光转移到一个有超快探测器的光谱区域来克服这一问题，并将此技术应用于2μm波长的时间鬼成像。实验为快速探测器在不可用的光谱区域的超快成像打开了大门。

图片解释：采用波长转换的时间鬼影成像实验装置：显示随机激光源（黄色框）；激光时间波动首先进行波长转换和然后再实时测量的参考臂（蓝色框）；以及时间物体被探测的测试臂（绿色框）。BS，分束器；P，偏振器；BBO，β-硼酸钡晶体；SHG，二次谐波产生；FS，滤波器组；APD，雪崩光电二极管；AWG，任意波形发生器；EOM，电光调制器；OSC，示波器；LD，激光二极管；COM，泵合器；HR FBG，高反射光纤布拉格G额定值；LR FBG，低反射光纤布拉格光栅；TDF，掺稀土光纤。

微波传输线的特征阻抗通常被限制在Z0=50Ω，部分原因在于自由空间的低阻抗以及用常规材料可实现的有限介电常数和磁导率范围。特定的射频或微波电路的阻抗利用散射矩阵可以大大简化其分析，而非麦克斯韦方程的几何特定解。实际方面，传输线（TL）的特征阻抗大都标准化为50Ω或者75Ω，以便实现电子元件的无缝集成，不考虑实用性的情况下，更基本的概念表面特征阻抗不会离这个值太远。

对于在介观或量子领域中运行的电路，支持单道道模式的导体阻抗由电阻量给出，该电阻由 von Klitzing 常数 RK = 25.8 k 定义，这与中使用的阻抗的典型值相差甚远，也高于最近利用超导已经实现的微波工程的特征阻抗。如果能够利用弹道导体建立高阻抗传输线路，它们将提供一种在芯片上有效布线量子电路的方法，而无需使用笨重的窄带阻抗变压器之类的限制，例如，量子读出检测器的性能，事实上，高阻抗性也会导致每个光子的高电压，从而可以在分布式共振结构和量子位之间实现增强的静电耦合。这种增强对于基于半导体的量子计算特别有吸引力，因为量子位通常具有不方便的小电荷偶极子，因此很难实现-强耦合机制，其中光子-量子耦合强度为高于在占重器或量子位的损失。

来自RWTH Aachen University的S. Bosco团队研究分析了基于分布式网络和集总元件电路的量子霍尔传输线的各种实现，包括寄生电容和库仑阻力效应的详细说明，其可以改变器件性能。还设想了一种包含量子霍尔液滴阵列的超构材料，并分析其不寻常的特性。这种结构的实现有望在芯片上有效地布线量子电路，以及在半导体量子位和微波光子之间设计强耦合，相关文章发表在杂志《Physical Review Applied》上。

文章链接：

https://journals.aps.org/prapplied/pdf/10.1103/PhysRevApplied.12.014030

硅基光子学在过去十年中引起了科研人员极大的研究兴趣，这主要是由于其在近红外波段光子集成器件方面具有极大的应用前景。此外，研究人员将关注的波长范围进一步拓展到中红外2-15um。这个波段的光学集成器件有助于创建所谓的“芯片实验室”，可应用与环境污染检测、有毒化学品检测以及早期疾病诊断等等。中红外波段还包含两个大气传输窗口（3-5um和8-12um），因此为自由空间光传输提供了新的光谱可能。

硅材料被广泛应用与近红外光子学，绝缘体上硅（SOI）技术已经被广泛应用于近红外光子平台，其制造工艺成本低，可加工性高。然而，二氧化硅在2.6-2.9um范围内和3.6um范围内具有较高的材料吸收，这限制了SOI平台的使用。锗-硅（Ge-on-Si）是一种中红外光传输的理想材料，因为它几乎在整个中红外波段具有高透明度。然而迄今为止，基于锗硅平台的高性能波导集成调制器还没有被报道。

近日，来自北京大学、南洋理工大学和南安普顿大学的联合研究团队报道了基于中红外波段锗硅波导的PIN二极管调制器，工作波长为3.8um和8um。对于1mm长的电子吸收器件，在7V的正向偏压下，对于3.8um波段其调制深度大于35dB。在2.5Vpp的射频信号驱动下，其开关调制能够达到60MHz。

文章链接：Tiantian Li, Milos Nedeljkovic, Nannicha Hattasan, Wei Cao, Zhibo Qu, Callum G. Littlejohns, Jordi Soler Penades, Lorenzo Mastronardi, Vinita Mittal, Daniel Benedikovic, David J. Thomson, Frederic Y. Gardes, Hequan Wu, Zhiping Zhou, and Goran Z. Mashanovich, "Ge-on-Si modulators operating at mid-infrared wavelengths up to 8  μm," Photon. Res. 7, 828-836 (2019)

人工神经网络（ANN）已经展现出巨大的应用潜力，在各个领域都有广泛的应用。然而，人工神经网络也需要不断提升计算能力。这促使人们寻找更快、更节能的替代计算方法。一种有趣的方法是光学神经计算。这种模拟计算方法是无源的，具有很小的能量消耗。更重要的是，其内在的并行性可以大大加快计算速度。

现阶段大多数光学神经计算遵循数字神经网络的架构，使用分层前馈网络。利用光学自由空间衍射或集成波导作为分层神经单元之间的连接。与ANN中的数字信号类似，光信号在前向方向上通过光网络，但是其反向光信号往往被忽略。然而，正是反射提供了反馈机制，从而产生了丰富的波动物理学。反射信号是许多光学器件小型化的关键，如激光腔、光子晶体、超材料等。

近日，来自美国哥伦比亚大学、麻省理工学院、威斯康星大学的联合研究团队报道了一项最新的研究成果。研究人员通过利用光学反射信号，以连续和无分层的方式实现人工神经计算，这有可能超越分层前馈网络从而实现更先进的计算架构。利用纳米光子学神经介质（NNM），光信号从一侧进入，从另一侧输出。纳米光子学神经介质主体材料是SiO₂，其中夹杂大量的散射体，这些散射体可以是气孔 ，在前向和反向都能够强烈的散射光。散射光在空间上与输入光相混合，从而使其与线性矩阵乘法相对应。在数字ANN中，散射体的位置和形状相当于数字神经网络中的权重参数，它们的尺寸通常是亚波长。非线性操作可以通过由染料半导体或石墨烯可饱和吸收体制成的夹杂物来实现。这种利用亚波长散射体实现复杂的输入/输出映射的方式为纳米光子器件开辟了新的应用前景。

文章链接：Erfan Khoram, Ang Chen, Dianjing Liu, Lei Ying, Qiqi Wang, Ming Yuan, and Zongfu Yu, "Nanophotonic media for artificial neural inference," Photon. Res. 7, 823-827 (2019)

 在固体系统中，频率在GHz级别的声子可以和电子、光子及原子发生相互作用，可实现声子集成系统。因此，该相互作用系统在信号处理、传感器件和量子技术方面可以有广泛的应用。声表面波（SAW）谐振器能够限制固体系统中的表面声波，并且其模型尺寸小、耗散低、电声转换效率高，所以，声表面谐振腔在集成声子系统中起着至关重要的作用。然而，到目前为止，在GHz频率范围内，实现高品质因子（Q）和声子模型尺寸小的谐振器仍然有很大的挑战。

近期，来自哈佛大学Marko Lončar的课题组的Linbo Shao，提出了一种在GHz频率下工作的铌酸锂上设计紧凑的高Q声表面波谐振器。文中通过实验证实，该设计的谐振器在室温下，Q超过2*10⁴；在4 Kelvin的低温时，Q达到6*10⁴。并且其模型尺寸低至1.87*λ²。该高Q值的谐振器主要通过声子能带工程实现的，通过调控能带实现了对声表面波的高限制，减少机械损耗。相信该高Q值，小尺寸的SAW谐振器将来能够应用于量子声学和声与光、固态比特耦合的系统中，推动可集成化声子系统的发展。该研究工作发表在《Physical Review Applied》杂志上。

文章链接：Shao L, Maity S, Zheng L, et al. Phononic Band Structure Engineering for High-Q Gigahertz Surface Acoustic Wave Resonators on Lithium Niobate. Physical Review Applied, 2019, 12(1): 014022.

高转变温度（高Tc）超导性的机理是凝聚态物理中的核心问题。根据Hubbard模型的描述，人们推测掺杂的Mott绝缘体中会产生高温超导。然而，由于Mott绝缘子中的强电子-电子相关性，解出Hubbard模型的精确解是极具挑战性的。因此，研究可调谐Hubbard系统是十分必要的，其中系统地研究非常规超导及其随Hubbard参数的演化，可以加深我们对Hubbard模型的理解。

近日，复旦大学张远波教授、美国加利福尼亚州伯克利分校王枫教授和斯坦福大学David Goldhaber-Gordon教授合作，报道了ABC -三层石墨烯(TLG)和六方氮化硼(h-BN)莫尔超晶格中可调谐超导性的特征。与“魔角”扭曲双层石墨烯不同，理论计算表明，在垂直位移场下，ABC-TLG/h-BN异质结构在三角形超晶格上具有与Hubbard模型相关联的孤立的平价窄带，其带宽可随垂直位移场不断调谐。应用这种位移场，在实验中发现ABC-TLG/h-BN超晶格在1 / 4和1 / 2填充状态下，显示出低于20K的Mott绝缘状态，分别对应于每个单位晶胞的一个和两个孔。在进一步冷却后，1/4填充Mott态的电子和空穴掺杂侧的超导性信号出现在1K以下。在ABC-TLG/h-BN超晶格中，电子行为将敏感地依赖于电子-电子相互作用与微带带宽之间的相互作用。通过改变垂直位移场，实现了从超导体到Mott绝缘体和金属相的转变。该研究表明，ABC-TLG/h-BN异质结构为探索可调谐三角形Hubbard模型中丰富的相关行为提供了有吸引力的模型系统。相关工作发表在《Nature》上。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1393-y

在近红外波段（1-3um）的光电探测器件具有极其重要性，并被广泛的应用于光通讯、环境保护、安全监控、医疗保健等。迄今为止，用于近红外波段的光电器件的半导体材料主要有具有窄禁带的三五族化合物和二六族化合物。然而，这些半导体材料是有剧毒的、代价高的、生长复杂，并且与Si基CMOS技术不兼容的。但全硅基的探测器光电响应效率较低，仅有10mA/W，相比现在商用的三五族复合物半导体红外探测器性能较低。近期，已经有许多课题组提出利用人工微结构通过增强光电转换效率来增强光电探测器的内外量子效率，最终实现相关器件的商业化。

近日，来自复旦大学陈宜方的课题组，采用特殊设计的纳米级天线金超表面与传统的绝缘体（SOI）上的Si平行纳米线集成的光电器件，实现与商用三五族复合物红外光电探测器可比拟的性能。该器件的峰值响应，在波长1.15um，可达到94.5mA/W，对应探测性为4.38×10¹¹cm Hz^1/2/W。并且在室温时，其外量子效率大约12%左右。器件性能的增强主要是由于一维高密度态的传导Si纳米线通道能够有效容纳Au等离子效应辐射的热电子，导致其量子效率的增强。该研究工作发表在《ACS Nano》杂志上。

文章链接：Bo Feng, Jingyuan Zhu, Bingrui Lu, Feifei Liu, Lei Zhou, Yifang Chen, Achieving Infrared Detection by All-Si Plasmonic Hot-Electron Detectors with High Detectivity. ACS Nano, Publication Date:July 3, 2019.

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