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美科学家研制出金属光栅结构的超宽带宽减速光学系统
OFWEEK.com  2008-08-02 09:16  来源:Eurekalert  

    对于描绘和刻画彩虹,光学通讯领域的工程人员所追求的相似与细致程度的确要比梦想家更为精微。当然,他们事实上并不指望能捕获频谱中所有的颜色,但是,他们要寻找的是如何来控制频谱内的光线穿过光学电路的比率。尤其是当电路的测量仅能靠钠米为单位时,这样的追求的确使人畏缩。

 

    美国宾夕法尼亚州伯利恒(Bethlehem)利哈伊大学(Lehigh University)电子工程博士生甘乔强(音译)谈到,“在纳米级研究领域内,工程人员希望能将光学结构与电脑芯片整合起来,但是他们有些进退两难。”光波传送数据的速度和可控性远远大于电子信号,因为电子信号在半导体的材料中,其电子的灵活性大大的受到阻碍。但是在纳米级,由于其衍射或分解能力的自然局限,对于光波的控制却非常困难,“所以纳米电子学和纳米光子学之间并不匹配,” 甘乔强分析到,“正是因为光的衍射极限,光学电路比目前的电子电路还要庞大,所以要将光学结构整合到电子设备中,这对于我们来说的确是个很大的障碍。因此,目前对于光学研究者的梦想,就是能制造出体积微小的光学结构,以便其可以完全顺利地与电子设备实现整合。”经过甘乔强和他的同事们的不断努力,他们已研发出一种相对较为简单的结构,可以对大部分穿越频谱的光线实现控制,例如使其减速或停止。

 

    2008年6月27日,他们在美国《物理评论快报》(Physical Review Letters ,PRL)发表了最新的成果。《物理评论快报》是美国物理学会编辑出版,在全球基础物理研究领域是最权威的学术期刊。该文章名为“基于太赫兹胞质分级金属光栅结构的超宽带宽减速光学系统”。(Ultrawide-Bandwidth Slow-Light System Based on THz Plasmonic Graded Metallic Grating Structures)文章的作者包括甘乔强、傅瞻、丁雨捷以及费尔伯特«巴拖里(音译)。傅瞻也是一名电子工程专业的博士生,他的导师就是丁雨捷,电子计算机工程的教授。 费尔伯特«巴拖里是电子工程系的教授和主任,同时也是甘乔强的导师。

 

    甘乔强介绍说,他们团队所开发的这种结构可以在结构表面的不同地方、不同频率捕获太赫兹光波的进展情况。

 

    “以前的研究人员已经可以做到在一个狭窄带宽范围内让单独的一个波长减慢,而我们能做到的则是在不同位置、不同频率上让太赫兹光波停止。我们的下一个目标是继续发展改进这一结构,以便让它可以在频谱中用于传送光波通讯信号的近红外和可见光的范围内同样大显身手。”

 

    利哈伊大学的研究人员在《物理评论快报》中谈到他们的主要创新点是“带有分级深度的金属光栅结构,其在不同位置的分散曲线和切断频率均有不同。”

 

    从表面上看,这个结构很像管风琴中从一头到另一头长度逐渐递减的一排管子。甘乔强介绍说,金属光栅的分级是可以通过改变温度,调整结构表面的物理特性而“调控”的。正因为如此,也可以通过对温度和结构的调节,在光线信号被减慢或锁定之后来重新进行激活和释放。“同样,通过改变光栅深度分级,也可以实现对比邻局部频率分离的调节,” 甘补充说。“捕获表面模式的传送特征也可通过表面几何学加以控制。”

 

    费尔伯特«巴拖里评价说,“这对于实现芯片上控制光波这一目的,的确开启了新的大门。” 这个利哈伊大学所新设计出的结构,可以帮助科学家和工程人员缩小光学结构的尺寸,从而为实现在光学机构与电子设备在纳米级的成功整合扫清了道路。“我们的光栅结构同样可以调节应用于电频率,这将在今后可能出现的光学与纳米光子学电路整合应用方面大有作为。如此一来,这或许可以帮助我们实现对一些新颖设备的发明,例如:用于化学检测装有芯片的分光计,以及波谱信号处理等等应用领域。”

 

    甘乔强毕业于上海复旦大学材料科学与工程专业,后获北京中科院电子工程硕士学位,他采用了计算机建摸的方式来研发与测试光栅结构。他将很快参与丁雨捷教授的物理实验和相关研究。丁教授在太赫兹的产生研究领域曾立下汗马功劳。

 

    甘乔强、傅瞻在阅读了另外一位该领域研究人员的论文之后,开始形成他们自己的想法——开发分级光栅结构来捕获和减慢光速。“那篇论文的研究者想通过设计一个圆柱型的结构来为太赫兹扫描显微镜聚焦光波,使其处于次波长级,而我们将那个圆柱型的结构简化为光栅结构,由此便可以在不同级的不同点实现对入射光线的捕捉。”( 余郑璟博士 编译)

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