超材料前沿研究一周精选 2020年8月3日-2020年8月9日- 大数跨境

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超材料前沿研究一周精选 2020年8月3日-2020年8月9日

两江科技评论

2020-08-09

导读：今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及声学涡旋结、基于薄膜铌酸锂平台的高性能相干光调制器、通过光学不透明层对低占空比光栅的光声检测等敬请期待！

今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及声学涡旋结、基于薄膜铌酸锂平台的高性能相干光调制器、通过光学不透明层对低占空比光栅的光声检测等敬请期待！

索引：

1 声学涡旋结

2 连续体中准束缚态的极端声波约束

3 基于薄膜铌酸锂平台的高性能相干光调制器

4 多层介电超材料中深亚波长准周期性诱发的

反常光传输

5 弯曲场光学相干断层扫描助力人眼角膜细胞

和神经的大场成像

6 基于光弹性调制器和振镜扫描的高速应力

测量技术

7 带有双微谐振器孤子的游标分频方法

8 通过光学不透明层对低占空比光栅的光声检测

声学涡旋结

涡旋结因其复杂的拓扑结构在物理和生命科学中发挥着重要的作用。目前，结型拓扑结构已经在各种系统中表现出优异的性能，包括等离子体，量子流体和经典流体，量子和经典场论和液晶。在电磁场中，研究人员还设计并观察到孤立的光学涡旋和极化结，它可以将冷原子限制在复杂的空间拓扑中。那么，声波是否也可以具有相同的拓扑特性呢？最近有研究表明，通过使用基于超材料的相控阵，可以有效设计具有直线涡旋线声场的轨道角动量，以生成便于波前调制的超表面。

近日，北京理工大学航空航天工程学院的周萧明团队设计并制造了一个超表面来创建声学涡旋结。他们将具有编织零值线的抽象函数所派生的结函数，通过超表面嵌入到传播的声束中。并且，他们用有限元方法证明了霍普夫链和三叶结涡旋线都可以由初始波前生成，该波前只有24×24个子像素，具有适当的相位和幅度分布，相位和幅度模式的改变均可以通过解耦调制它们的物理单元来实现。此外，声学涡旋波结的实验测量是通过声学脉冲回波扫描系统进行的，在波长尺度上都观察到了霍普夫链和三叶结涡旋线。这些声涡旋结在具有真实空间拓扑的粒子捕获领域具有潜在的应用。相关研究成果发表在《Nature Communications》上。（钟雨豪）

文章链接：

Zhang, H. et al. Creation of acoustic vortex knots. Nat Commun 11, 3956 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-17744-x

连续体中准束缚态的极端声波约束

连续体中的束缚态（BIC）是完全不受辐射限制的奇特状态，其处于连续的辐射波谱中。BIC最初是在量子力学中提出的，后来证明在许多经典的物理学系统中都存在。与位于连续体之外的常规束缚态不同，BIC可以看作是零泄漏，零线宽（无限高品质因数，Q）位于连续体内部的共振。在光学和光子学中，通过构造准BIC提出了许多高效的实际应用，例如激光器，传感器和滤波器。对于声学系统，准BIC的超高Q因子和极低的辐射为实现长寿命的声波约束提供了途径。在研究风洞中的平行板级联附近的压力增强过程中，首先观察到了声学BIC，也称为嵌入式陷阱模式。

近日，来自同济大学与香港理工大学的研究小组通过实现连续体中的Friedrich-Wintgen准束缚状态（准BIC），证明了具有任意高品质因数的声波约束成为可能。提出的概念系统由两个稍微失谐的谐振器组成，它们共享一个单端口辐射通道并支持准BIC。当在平衡的低辐射和耗散衰减率下工作时，它允许频率选择性地捕获入射声波。通过观察到的超窄反射凹谷（420.8 Hz处的零反射）以及增强的声场强度（24.5 dB），实验和数值仿真证明了该效应的存在。研究者还表明，通过同时减少失谐和本征损耗，可以进一步提高品质因数。这项工作突破了获得极端的声波约束的障碍，并可能为开发声学传感器，过滤器和声能利用提供机会。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（刘乐）

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.14.021001

基于薄膜铌酸锂平台的高性能相干光调制器

为了满足不断增长的数据传输需求，数字相干传输技术已被运用到长距离通信链中，并且可以接近光纤的最大可达到容量，即香农极限。现在，该技术将扩展到快速增长且需要大量容量的短距离链中，例如地铁和数据中心互连，其中同相/正交（IQ）调制器必须在狭小空间内运行，并要求低功率损耗，低驱动电压和较大的带宽。近十年来，基于低折射率对比度的铌酸锂（LiNbO₃，LN）波导的IQ调制器一直是实现高级调制模式的主要手段。尽管这些调制器在长距离相干网络中十分有效，但由于低折射率对比度LN波导无法支持它们，因此其性能已经达到极限。迄今为止，基于LN的现成IQ调制器仍是体积庞大且耗电，中度半波电压（Vπ）为3.5 µV，需要至少5 µcm的器件，并且希望进一步改善光电（EO）带宽（通常在35 GHz左右），限制了它们的实际短距离传输。

近日，中山大学光电材料与技术国家重点实验室的蔡鑫伦教授团队报道了一种基于LNOI平台的IQ调制器，它能够以高级调制格式对信号进行编码，例如正交相移键控（QPSK）和正交幅度调制（QAM）信号。与传统的LN同类产品相比，拟议中的设备具有低光损耗，低驱动电压，超高光电（EO）带宽和较小的空间占用率。此外，通过进一步优化行波电极，可以在不损害半波电压的情况下将设备的EO带宽进一步扩展到100 GHz以上。这可以支持超过200Gbaud的数据速率。通过进一步集成片上偏振合并器，单个基于LNOI的调制器能够以超过1 Tbs^-1的数据速率工作使用，例如在200Gbaud下的16QAM调制，该设备可能为未来超快速和低功耗光纤互连做出重大贡献。相关研究成果发表在《Nature Communications》上。（钟雨豪）

文章链接：

Xu, M. et al. High-performance coherent optical modulators based on thin-film lithium niobate platform. Nat Commun 11, 3911 (2020).

https://doi.org/10.1038/s41467-020-17806-0.

多层介电超材料中深亚波长准周期性诱发的反常光传输

多层介电体是构成最简单和最常见的光学超材料类的别，并且可以通过完善的沉积工艺以高精度制造。在深亚波长层的情况下，空间色散（非局部）效应往往可以忽略不计，因此可以通过宏观有效参数精确地对这些材料进行建模，这些参数不取决于层的特定几何顺序和厚度，而仅它们的本构特性和填充分数。众所周知，这种有效介质理论（EMT）模型可以非常准确地获取宏观光学响应。然而，最近的关于周期性布置的理论和实验研究指出，在混合倏逝波和行波光传输的某些关键参数范围内，非局部效应可能会被反直觉地放大，从而导致EMT模型的破坏。后续研究提供了对这些影响的替代解释，并建议对常规EMT模型进行可能的修正。这些校正通常包括频率和波数相关项，以解决非局部性问题，并可能包括磁电耦合以确保自洽。

从本质上讲，以上结果表明，有限尺寸，完全介电的多层超材料的光学响应可能在深亚波长范围内表现出对几何特征的异常敏感性，这可能会在从光学传感到开关和激光的众多领域中引起人们的兴趣。近日，来自意大利桑尼奥大学的研究小组通过考虑基于修改后的斐波那契几何的准周期情形来进一步扩展混合倏逝波和行波光传输的非局部效应放大，在此模型的特征中，存在一个比例参数，该参数控制从不同波长的完美周期到准周期性的过渡。通过广泛的参数研究，这使我们能够识别准周期性引起的异常效应，并阐明某些独特的机制和足迹。这项结果对于以远小于波长的分辨率进行结构特征的光学探测具有潜在的意义，并且还可以用于设计新型的吸收器和低阈值激光器。相关研究发表在杂志《Physical Review B》上。（刘乐）

文章链接：

https://doi.org/10.1103/ PhysRevB.102.075107

弯曲场光学相干断层扫描助力人眼角膜细胞和神经的大场成像

角膜是眼睛最外层弯曲的部分。角膜透明度作为衡量眼部和一般健康的指标。临床方案(例如屈光手术)依赖于位于面部角膜平面的细胞和神经的数量，因此需要具有大视场(FOV)的面部角膜图像。不幸的是，现有的高分辨率临床模式，如体内共聚焦显微镜(IVCM)和高光显微镜(SM)的FOV在光学上被限制在0.5 mm左右。细胞分辨率光学成像方法，如共焦显微镜和全场光学相干层析成像，捕获的是样品的平坦光学切片。然而，如果样品是弯曲的，光场穿过几个样品层，成像质量将受到严重的影响。

近日，法国索邦大学视觉学院Kristina Irsch等人提出了弯曲场光学相干层析成像，能够捕获任意曲率的光学截面。研究人员在一项具有挑战性的任务上测试了该设备，该任务是在活体内对人角膜进行成像，与最先进的临床技术相比，可获得10倍甚至更大的视野。大的FOV提高了疾病诊断的效率，也提高了细胞计数的准确性，改善了对各种眼部疾病的诊断，包括Fuchs营养不良、内皮损伤、虹膜角膜内皮综合症、圆锥角膜等。总之，为改善角膜和一般健康状况(如糖尿病)的监测开辟了道路。此外，该方法是非接触式的，结构紧凑，在3.5 ms内可实现单次拍摄，从而使其易于在光学研究和临床实践中使用。相关研究工作发表在《Optica》上。（丁雷）

文章链接：

Viacheslav Mazlin et al, Curved-field optical coherence tomography:large-field imaging of human corneal cells and nerves.Optica(2020).https://doi.org/10.1364/OPTICA.396949.

基于光弹性调制器和振镜扫描的高速应力测量技术

后续封装过程中的不完全晶化和热失配会在硅片中产生严重的残余应力，可能会因压阻效应而导致晶片开裂，甚至恶化晶片的电学性能，必须发展精确的应力测量技术。与其它无损测量技术(如微拉曼光谱技术)相比，红外光弹性测量方法具有全场实时测量方式和测量结果对温度不敏感的优点。然而，由于硅的弱光弹性效应(典型的应力光弹性系数约为1.4 ~ 2.1×10 ^-11)，传统的红外光弹性方法在极低的双折射下无法满足高分辨率和高精度的要求。在过去的30年里，人们提出了各种各样的方法来提高红外光光弹方法的应力测量分辨率，但一直存在各种各样的问题。

近期，北京航空航天大学航空科学与工程学院苏飞副教授等人介绍了一种基于光弹性调制器的高分辨率硅片残余应力测量方法，并证明了该方法对残余应力测量的分辨力是目前可用的方法中最高的。然而，该技术的缺点在于其逐点测量方式，全现场测量是通过传统的机械扫描来实现的，一般速度约为5 mm/s。为了提高该方法的全场测量速度，提出了一种利用振镜和成像透镜的光学扫描技术。以直径1英寸的晶片为例，验证了该技术的可行性。并将实验结果与传统机械扫描和理论分析的结果进行比较，结果表明，光学扫描方法虽然存在测量精度损失(误差4%)，但测量速度确实提高了300%。实验中研究人员发现20 mm/s的光扫描速度与理论极限速度相差甚远，如果采用高数据输出频率的锁相放大器可以进一步提高光扫描速度。未来研究的另一个方向是将光学扫描和机械扫描相结合，从而获得一种准确、快速的大面积试样应力测量方法。相关研究工作发表在《Optics and Lasers in Engineering》上。（丁雷）

文章链接：

Fei Su,et al, High speed stress measurement technique based on photoelastic modulator (PEM) and galvano-scanner, Optics and Lasers in Engineering 136 (2020) 106306.https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2020.106306.

带有双微谐振器孤子的游标分频方法

微谐振器孤子对于将光频率梳最小化至芯片级至关重要，并具有革新光谱学、计量学和定时的潜力。然而，为了实现高重复率的检测，基于微谐振器的频率（微梳）系统必须包括辅助频率梳，该辅助频率梳的重复率可以通过光电二极管（PD）直接检测。然后，通过等间距的梳状线将可检测的重复频率进行光学倍增，以跟踪微梳的动作。这限制了微梳系统的小型化，因为谐振器所占的面积与重复率成反比。对于常见的电子K波段，辅助谐振器直径必须超过几毫米。划分和检测超出光电二极管带宽的微梳重复频率的方法对于消除此限制至关重要，并将在小型化，功耗和易于集成方面推进频率梳技术。

近日，来自弗吉尼亚大学电子与计算机工程系的Beichen Wang等人报告了一种双梳游标分频方法，可大大减少所需的电频带宽。自由运行的216 GHz“游标”孤子通过对一对低频双梳状拍子进行电处理，将主孤子的重复频率从197 GHz划分为995 MHz。他们的演示放宽了对微梳重复频率检测的仪器要求，并可以应用于光学时钟、光学分频和微波光子学。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：

Beichen Wang et al. Vernier frequency division with dual-microresonator solitons. Nature Communications (2020) 11:3975

https://doi.org/10.1038/s41467-020-17843-9

通过光学不透明层对低占空比光栅的光声检测

在纳米光刻中，通过以多层方式在硅晶片上曝光光致抗蚀剂来制造半导体器件。这就要求以小于纳米的精度来定位（“对准”）晶片，以确保各层之间的垂直互连起作用。晶圆对准通常是通过测量在Si晶圆上管芯之间的划片道上刻蚀的光栅的光学衍射来完成的。当晶圆位置沿光栅波矢的方向变化时，从这些光栅衍射的光束的相位会发生变化。通过测量这些变化，可以准确地确定晶片的（相对）位置。然而，在制造过程中，当这些光栅被不透光或仅透光的部分材料覆盖时，对准变得很困难。考虑到半导体制造工业中趋向于朝着具有窄线宽的较小周期对准光栅的趋势，该对准光栅占据了更少的晶片空间，因此检测线宽窄得多的埋入式光栅的技术变得越来越重要。

近日，来自荷兰阿姆斯特丹科学园纳米光刻高级研究中心的V. Verrina等人报道了使用超高频光声技术检测线宽窄至75nm的光栅，这些光栅埋在光学不透明的金属层下面。他们的结果表明，可以通过观察来自玻璃/金属界面处的埋入式光栅的空间周期性声学复制品和玻璃基板内部的声波复制品的衍射来检测出埋入式光栅。测得的衍射信号显示出与光栅占空比的线性关系，而不是预期的二次信号。他们发现这是由于存在一个相干背景光场，它干扰并相干地放大了从光栅形声波中衍射出来的较弱的场。他们的测量结果表明，超高频光声技术对于检测亚波长周期性纳米结构具有光明的前景。相关研究工作发表在《Applied Physics Letters》上。（詹若男）