一種采用扭曲莫爾光子晶體的新型片上傳感器，可實時精確調(diào)控光特性。這項技術(shù)有望用一塊緊湊的高性能芯片取代笨重的光學(xué)系統(tǒng)。

扭曲莫爾光子晶體——這種前沿光學(xué)超材料——為構(gòu)建更小巧、更強大、功能更豐富的光學(xué)系統(tǒng)帶來巨大希望。但它們的運作機制究竟如何？

想象兩塊帶有簡單重復(fù)圖案（如條紋或方格）的織物。當(dāng)它們完全對齊疊放時，每個圖案都清晰可見。但若對其中一層稍作旋轉(zhuǎn)或位移，全新的復(fù)雜圖案就會浮現(xiàn)——這些圖案在單層織物中并不存在。

圖片:Twisted-Moire-Photonic-Crystals-scaled.png

通過扭曲與堆疊實現(xiàn)光調(diào)控

這一原理同樣適用于扭曲莫爾光子晶體。當(dāng)晶體層發(fā)生旋轉(zhuǎn)或間距變化時，它們與光的相互作用方式也隨之改變。通過精細調(diào)節(jié)扭曲角度和層間距，研究人員可對材料進行微調(diào)，實現(xiàn)對光相位、偏振、波長等多重特性的同步控制。這為用單一緊湊設(shè)備替代多個笨重光學(xué)元件開辟了道路。

然而，科學(xué)家此前始終未能將這類晶體集成到能主動實時調(diào)控層間扭曲角度與間距的裝置中，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用場景。

片上設(shè)計的重大突破

近期，哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）聯(lián)合斯坦福大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校的研究團隊，開發(fā)出一款基于MEMS技術(shù)的片上扭曲莫爾光子晶體傳感器。該裝置能實時控制晶體層間間隙與角度，同步檢測并收集詳細的偏振與波長信息。

這項4月3日發(fā)表于《自然·光子學(xué)》的研究由美國國家科學(xué)基金會、DARPA、美國空軍科研辦公室及海軍研究辦公室資助。樣品制備在哈佛納米系統(tǒng)中心完成，該中心隸屬國家納米技術(shù)協(xié)調(diào)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，同樣獲得美國國家科學(xué)基金會支持。

緊湊、可調(diào)、高性能

SEAS物理學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)教授、論文資深作者Eric Mazur表示："扭曲莫爾光子晶體具有高度可調(diào)光學(xué)特性、精確光控能力、緊湊可擴展設(shè)計，以及在各類先進光子技術(shù)中的廣泛應(yīng)用潛力，是打造更小更強光學(xué)系統(tǒng)的理想選擇。"

論文第一作者、SEAS博士后Haoning Tang指出："我們的研究不僅展示了精確控制下這類材料的強大性能，更為開發(fā)適用于多功能光操控與信息處理的平面光學(xué)器件提供了可擴展路徑。"

面向規(guī)模化制造的設(shè)計

在這款哈佛研發(fā)的裝置中，光子晶體層置于垂直與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器上，通過電極連接。整套設(shè)備僅數(shù)毫米尺寸，采用CMOS兼容工藝制造，意味著可通過標(biāo)準(zhǔn)代工廠納米加工技術(shù)實現(xiàn)量產(chǎn)。

研究團隊證明，通過驅(qū)動器改變光子晶體層的間距與旋轉(zhuǎn)角度，可實現(xiàn)同步高光譜與高偏振成像——傳感器捕捉的每個像素都包含電磁頻譜全域信息及偏振態(tài)詳細信息。這是首款具備主動調(diào)諧功能、可獲取光多重特性詳情的設(shè)備。

跨行業(yè)應(yīng)用潛力

Tang表示："這類設(shè)備在量子計算、數(shù)據(jù)通信、衛(wèi)星或醫(yī)療掃描等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，特別是在需要清晰圖像及光色詳細信息的關(guān)鍵場景中。"

未來，研究團隊計劃為設(shè)備賦予更復(fù)雜的調(diào)諧能力，包括開發(fā)具有更多自由度的驅(qū)動器。這項突破性技術(shù)或?qū)�徹底改寫現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)則，開啟光控技術(shù)的新紀(jì)元。

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