改写纳米光学底层逻辑！MIT学者搭建通用可重构光子平台

不久前，唐皓凝入选“35 岁以下科技创新 35 人” 中国区新一届入选者名单，她现在是美国麻省理工学院（MIT）的助理教授。

从香港科技大学到哈佛大学，再到 MIT，她的科研方向也是在不断探索中逐渐形成的。进入香港科技大学之后，她开始在不同科研实验室轮转，先后接触光学、材料、电子这些方向，这让她觉得做实验还挺有意思的。那时她没想过自己会一直做下去，只是觉得眼前的问题值得花时间解决。

让她决定投入科研的，从一个具体的问题开始。

许多传统纳米光学器件的功能，在加工完成后就基本由材料和几何结构决定，因此其共振、相位、偏振和波前响应往往也被预先设定。可重构光子学希望突破这种由加工结构预先定义功能的工作方式。唐皓凝选择从机械自由度入手：把 MEMS 与纳米光子结构集成，使纳米级位移和转动本身成为可以连续、可逆控制的光学参数。

她构建的是一个可以相对运动的双层纳米光子系统：两层结构之间保留纳米级间隙，并由 MEMS 连续调节层间距和扭转角。随着几何构型改变，层间电磁耦合、系统对称性以及光学本征模式都会随之重构，共振频率、辐射损耗和光场分布也可以发生显著变化。在这一平台中，机械自由度不仅承担结构调节的作用，也被用作直接控制光学态的可编程变量。

这一思路真正困难的地方，不只是“让结构动起来”，而是把机械运动变成一个可定量、可重复、可预测的科学变量。纳米光学对几何误差极其敏感，几纳米的位移或很小的转角就可能显著改变光学响应，因此需要同时解决层间平行度、对准误差、机械漂移、多自由度耦合和光学标定等问题，并在微型化器件中保持稳定性。她和当时所在团队花了很长时间把这些机械和光学自由度真正校准到一起，使平台能够用于可重复的物理测量。

2024 年，她和合作者在《自然·光子学》上发表了一篇论文，他们把光谱仪和偏振仪的功能集成到了同一个器件里面。背后原理是这样的：不同波长、不同偏振的光在器件上会产生不一样的响应，这些响应就像是一组组编码。在测量这些编码信号之后，通过计算就能反推出来入射光的光谱和偏振信息。整个过程只需在同一个集成电路上完成，完全不需要额外的大型设备。

在她的工作中，扭转角并不是一个在样品制备后固定不变的参数，而是可以在器件运行过程中连续、原位调节的动态变量。通过控制这一自由度，同一个器件可以系统研究不同几何构型下的对称性、耦合和光学模式演化。通过扫描扭转角，同一个器件可以跨越不同的对称性和耦合状态，从而系统研究光学模式如何随几何构型演化。

因此，她更愿意把这项工作看作一种基础研究平台，而不只是某一种具体器件。它允许研究者在同一个样品上连续扫描几何构型，研究模态杂化、对称性变化、辐射耦合和非线性响应等基本物理问题；这一思路也可以进一步与二维材料结合，通过可控机械构型研究材料的光学、力学以及光–物质相互作用。

她认为，从基础研究中的新发现到真正形成成熟的技术和产品，往往需要较长的时间。因此，她目前的目标是先把基础问题研究清楚。

未来在 MIT，她希望进一步发展 MEMS 集成的平面光学平台，从单一可调器件走向具有多个可独立控制自由度的可编程光子架构。她关心的不只是调节一个共振峰，而是能否在同一芯片上重构光的频率、相位、偏振、传播方向和空间模式，并把这些自由度用于高维光场调控、非线性光学和智能光子系统。她希望最终让光子系统像集成电路一样，不仅能够被制造出来，也能够在制造之后被持续配置。

要做到这一点，关键挑战是把机械自由度真正变成可规模化的控制变量：不同自由度之间需要保持低串扰，光学状态需要具有可重复性和可校准性，大量可调单元还需要稳定的寻址、读取和闭环控制。随着系统规模扩大，器件良率、控制带宽、光学效率以及与封装和测试流程的兼容性都会成为同等重要的问题。

她同时把 AI 看作高维光子系统中的一种工具。对于包含大量几何和控制参数的纳米光子系统，机器学习和逆向设计可以用于加速参数搜索、建立近似模型以及辅助系统标定；但最终的设计仍需满足电磁、机械和制造约束，并经实验验证。对她而言，AI 的价值在于扩大可探索的设计空间。

对于想进入科研的年轻人，她的建议是找到让自己感兴趣的问题。她自己做的工作横跨光学、力学、材料、制造，没有人一开始就能掌握所有内容。但如果对一个问题本身非常感兴趣，就会自发地学习新知识，研究时也会更有耐心。对她来说，真正重要的是对问题本身保持兴趣，并有耐心把它一步步研究清楚。

集成光子学过去几十年的一个重要方向，是把越来越多的光学功能压缩到芯片尺度；但高度集成并不自动意味着可编程。许多器件的功能仍由制造时的几何结构决定，一个器件通常围绕预设的工作点优化。她关注的问题之一，是能否像电子系统通过改变内部状态重构功能一样，让光子器件也拥有可寻址、可重构的内部自由度，而机械位移提供了一种直接改变光学边界条件和耦合关系的方式。

因此，挑战不只是单个 MEMS 结构是否能够运动，而是光学、机械、电子和控制能否在同一平台上协同工作。系统需要在有限的机械行程下获得足够大的光学响应，同时兼顾稳定性、重复性、速度和功耗；在扩展到多单元之后，还要面对制造偏差、串扰、漂移和标定等问题。

对她来说，下一步的关键是从“单个可调器件”走向“可编程光子系统”：建立多个可调单元之间的系统级架构，定义可重复的光学状态，并通过反馈和校准保持长期稳定。如果这些问题能够解决，在她设想的平台中，MEMS 不仅可以作为微型执行器，也可以承担连接纳米光子器件与可编程控制之间的硬件接口。

同时，她表示自己的每一步都不是照着某个规划走的，只是觉得正在做的事情有意思。这种有意思的感觉来自实验里出现的新现象，也来自理论和实验对不上的时候产生的困惑，更来自把一个模糊的想法一步步变成可操作方案的满足感。

这些年她一直在做的，其实是把机械构型本身变成纳米光子系统的状态变量：用微纳机械运动改变电磁边界条件，再把这种变化映射为可测量、可控制的光学响应。这使她的工作天然跨越光学、力学、材料和微纳制造，也决定了她未来更关注的是这些领域交叉之后能够产生怎样的新物理和新系统。

运营/排版：何晨龙

注：封面/首图由 AI 辅助生成