吉林
哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院研究人员开发出一种微型半导体器件，能够以远超传统设计的效率改变光的频率，也就是通常所说的"颜色"。
这项突破有望缩小电信与量子技术领域相关元器件的体积。
这款器件将经过特殊设计的半导体层，与纳米级超表面结合在一起，二者协同工作，能够在材料内部聚集并调控光线。
由此产生的非线性光学响应，比未经图案化处理的晶圆片高出整整三个数量级。
二、频率转换领域的老难题
这项工作瞄准的是光子学领域一个由来已久的难题。
频率转换技术能够将一种颜色的光转换为另一种颜色，但传统系统往往依赖铌酸锂或砷化镓等材料，很难做到既紧凑又易于规模化生产。
研究团队这次采取了不同的思路：他们将材料本身与光学结构同步设计，从而能够同时调控半导体的电子特性、电磁场分布以及器件的几何结构，以在特定波长上提升光转换效率。
团队用砷化镓与砷化铝镓构建出半导体主体，并将其排布成被称为"多量子阱"的超薄层结构，这些结构被专门设计出特定的电子能级，用以增强光与物质之间的相互作用。
随后，研究人员在材料表面添加了一组微型纳米柱阵列，由此形成的超表面能够塑造并聚集半导体内部的电磁场，从而提高与材料发生相互作用的光强度。
这些纳米柱同时还能调控电磁场的对称性，这一点至关重要，因为某些光学相互作用如果缺乏这种调控，反而可能相互抵消。
在量子阱结构与超表面的协同作用下，非线性响应最终提升至未经图案化晶圆片的千倍水平，研究人员在近红外波段验证了这一效应，而这一波段对光纤通信而言意义重大。
论文作者之一卡帕索表示，这项工作以一种颇具创造性的方式，将底层材料的量子工程设计与增强其非线性特性相结合，再配合经过优化的超表面设计，使整体非线性响应得到大幅提升，并能够真正应用于自由空间光学领域。
三、更小的器件，更广的应用
这种方法有望在保持高效光转换能力的同时，大幅缩小频率转换器件的体积。
这类元器件能够生成一些难以直接通过激光产生的特定波长，这项技术对光子量子系统同样具有应用潜力，研究人员特别提到了量子通信与量子计算领域对纠缠光子对光源的需求。
另一个优势在于，这一技术平台采用的是化合物半导体材料与平面纳米加工工艺，与现有半导体制造流程本身具备兼容性，这或许有助于该方法更容易被整合进紧凑型光子器件之中。
得克萨斯大学奥斯汀分校的合作者负责开发多量子阱材料，哈佛大学的研究人员则负责设计超表面结构及其内部的电磁场分布。
卡帕索实验室博士生、论文第一作者珀妮尔·翁德鲁姆·法蒂表示，这次初步演示，为纳米光子学与材料科学交叉领域未来更多的探索打开了大门。
这项研究由哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院、得克萨斯大学奥斯汀分校及加州大学欧文分校共同完成，相关成果发表于《自然·纳米技术》期刊。
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