Nat. Commun. | 领结结构硅光学腔实现高强度纳米级光约束

领结结构光学纳米腔

这是光首次在实验上被限制在小于衍射极限的纳米介电腔中。 本研究证实了于 2006 年就被提出的一个理论模型，并有助于推进新的光学芯片设计，相比电子芯片消耗更少的能量。相关研究成果已发表于Nature Communications。

经典的光学理论指出，光不能聚焦到边长小于半波长的尺寸。即衍射极限。衍射极限限制了光学显微镜的分辨率。 然而，近年来，研究人员使用金属纳米粒子来压缩光束替代聚焦光束。 压缩光束的光强更高，从而其与物质的相互作用过程也更剧烈。

然而，使用金属纳米粒子的问题在于金属粒子不但会压缩光而且会吸收光，从而损失一部分光学能量。 与金属粒子相比，介电材料制成的粒子对光的吸收更弱，因而更具有优势。2006 年，美国哥伦比亚大学Michael Lipson的研究团队提出了使用介电粒子代替金属粒子的理论模型。

拓扑优化

在本研究中，丹麦技术大学 (DTU) 纳米光子中心的研究人员用硅制造了他们的纳米级尺寸的光学腔。纳米腔结构通过使用两个反射镜来多次反射光线，并将其禁锢在光学腔内。

为了设计空腔，研究人员提出了一种拓扑优化的技术。该方法能够使用计算机找到最佳的光学腔设计，即实现最强的压缩光。

优化后的空腔结构是一个具有领结状的结构，领结结构在空间上限制了光线。 领结周围的环状结构有助于提高腔体的品质因数，其与强的损耗相关。

纳米结构制备

具体的，新的光学腔在蝴蝶结结构的中心包含一个长度 8 nm的硅桥，而该结构且必须被蚀刻到220 nm的硅层并具有近乎垂直的侧壁。 这是一项高难度的纳米加工任务。另外的一个难点是，与基于光子晶体或微柱等传统纳米腔不同，临界尺寸对新的光学腔十分关键。一方面，腔体的模式体积取决于给定制造工艺能够实现的最小特征。另一方面，改变工艺也会改变最佳设计。

为了解决这些问题，研究人员通过测量制造工艺的加工极限，并将得到的结果代入拓扑优化的过程中。 这种方法可确保在制备过程中获得尽可能小的模式体积。本项工作能够提供设计和制备节能的光学芯片结构的新思路。

目前，研究人员也正在研究进一步压缩光学腔的临界尺寸，使用自组装是能够实现该纳米腔的一个可能的加工方式。