《中国激光》出版“光耀清华”纪念专辑，庆祝清华大学建校110周年。专辑特邀清华大学优秀学者撰稿，内容涵盖高性能激光器、激光加工制造、精密测量、光学成像、图像处理、先进光电仪器与器件等多个领域，集中展示清华大学在激光技术领域的研究进展和特色。

本文来源于清华大学电子工程系黄翊东教授团队（点击下载），团队围绕微纳尺度下各种新结构中光与物质相互作用的新物理及其可实现的新功能，成功研制出一系列新型光电子芯片。

微纳光电子学研究微纳结构中物质与光波/光子的相互作用，为光电子技术的创新发展提供了新的物理机制和实现手段。光与物质之间的相互作用本质上可以理解为各种基本粒子和准粒子之间的相互作用，微纳结构可以操控声子、表面等离基元等准粒子的特性及其与光子、电子的相互作用，这种操控作用带来的新物理促进了新功能光电子芯片的出现。

微纳结构突破传统光电子芯片基于束缚电子和光场相互作用的框架，使得自由电子也成为了光电子芯片的新角色。通过纳米结构或超材料，可以实现芯片上飞行电子、晶体中束缚电子、光子三者相互作用的新机制，为未来光电子芯片的发展开辟了新途径。

围绕微纳尺度下各种新结构中光与物质相互作用的新物理及其可实现的新功能，清华大学电子工程系微纳光电子学实验室黄翊东教授团队面向不同应用领域成功研制出一系列新型光电子芯片。

切伦科夫辐射（CR）是带电粒子的运动速度大于电磁波在媒质中相速度时所产生的辐射。基于该物理现象，科学家在基本粒子和物理规律的探索中获得了重要突破，如反质子、J粒子、中微子振荡的发现。

产生CR需要将带电粒子加速到极高的速度。例如，在水中产生CR的电子速度需达到约真空光速的0.7倍，对应电子能量为30万电子伏特。先前报道光频段产生CR的最小电子能量仍需2万电子伏特。如何降低产生CR的电子能量阈值，是几十年来一直未能突破的一个重大基础科学问题。

另一方面，自由电子激光光源在基础物理、国防军事、生物医疗、信息科学等领域具有重要应用价值。但自由电子光源通常需要庞大（几米～数千米）的电子加速器才能产生光频辐射，如何将自由电子光源实现在芯片上的集成，是器件物理的一大挑战。

针对这一问题，清华大学团队提出借助微纳结构双曲超材料（hyperbolic matematerial，HMM）消除产生CR的电子速度阈值。超材料是一类具有亚波长微纳结构的新型人工电磁材料，可以突破传统材料电磁特性的限制，对电磁波的传播实现丰富的调控功能。

清华大学团队研究表明，由于HMM可以支持波矢非常大的电磁模式，当电子能量极小时自由电子周围大波矢的消逝场仍然可以耦合到HMM中产生CR。团队进一步突破芯片上超材料，电子发射源和散射光栅综合集成的技术难点，首次实现了芯片集成的自由电子光源并观测到无阈值切伦科夫辐射现象。图1是器件的原理图和关键功能单元的电子显微镜照片。

图1 芯片集成自由电子光源的原理图和关键功能单元的电子显微镜照片

在此基础上，团队进一步深化结合微纳结构的自由电子辐射研究，实现了深紫外波段Smith-Purcell辐射，并理论研究了基于等离激元微腔的受激切伦科夫辐射。实验进展表明，自由电子与微纳结构的相互作用可为实现自由电子光源的小型化和芯片集成提供有效途径，具有广阔的发展空间。

光子晶体是折射率在微纳尺度发生周期性变化的人工光学材料。自1987年这一概念被E.Yablonovitch和S. John教授提出以来，光子晶体就因其对光波/光子的灵活调控能力受到了学术界的广泛关注。

人们发展出多种光子晶体结构，利用其光子能带结构所特有的带隙限制导波和微腔谐振等物理效应，不仅可实现传统光电子器件难以实现的许多新功能，还使超小型化的光子集成回路成为可能。

声子晶体是周期结构对波的调控作用在声学领域的拓展。近年来，利用结构周期性变化的人工声学材料对声波/声子的传播进行灵活的调控，在学术研究上取得了丰富的研究进展。

然而如何将光子/声子晶体的新机理、新效应应用到实际器件中，并产生颠覆性的技术，是光子/声子晶体研究发展了二十余年却一直存在的瓶颈问题。

清华大学团队面向实际应用需求，利用微纳周期结构对光子和声子的调控发展出多种新型传感和精密测量芯片。代表性工作是研制出基于微纳超表面宽带滤波的CMOS实时光谱成像芯片，如图2所示。

图2 基于微纳超表面宽带滤波的CMOS实时光谱成像芯片功能示意图

CMOS实时光谱成像芯片通过周期性的微纳超表面结构实现入射光光谱调制，将入射光的光谱信息编码到图像传感器不同位置处的响应上，然后通过算法恢复出入射光光谱。

该技术可以用少量的超表面结构恢复出多个波长点的光谱信息，从而实现高精度、大谱宽的实时光谱成像芯片，在卫星遥感、消费电子、环保监测、机器视觉、医疗诊断等领域具有重要应用前景。

另一方面，清华大学团队通过优化设计纳米臂光声晶体微腔结构，实现了高频率窄线宽的声子激射，还研制出基于光声弹簧效应的新型折射率传感芯片。该芯片利用腔内的光辐射压增强声学振动提高折射率传感的灵敏度，为实现高灵敏度的芯片集成折射率传感器件提供了新的器件结构和研究思路。

人们很早就认识到每个光子能够携带线动量，并且圆偏振的光波还可以携带自旋角动量，这是光子的基本属性。然而直到1992年，Allen 等人才发现具有角向相位分布的光波携带有轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）。

在过去的二十年中，关于光学轨道角动量的基础研究和应用取得了相当大的进展：

由于光学轨道角动量具有涡流状电磁能量分布和环形光斑的光强分布特性，通过移动光束达到移动粒子的作用，这就是光镊和光扳手；

由于携带轨道角动量的光束具有螺旋形等相位面，可以用于高分辨率成像；

同时，由于轨道角动量量子数是独立于强度、相位和偏振态以外的光波自由度，并且轨道角动量量子数原则上可以是-∞～+∞之间的任意整数，这就意味着利用光学轨道角动量作为信息参量就可能实现高速、高维度、大容量的信息处理。

但是，利用传统光学器件产生光学轨道角动量的方式具有体积大、系统复杂并且响应速度慢、调节范围有限等缺点。

在2012年，英国布里斯托大学，美国贝尔实验室联合美国加州大学戴维斯分校以及清华大学团队三者几乎同时开展了集成型光学轨道角动量器件的研究。清华大学团队研制的器件是通过在微环腔中均匀分布的下载波导，对环腔中谐振波长的光波在空间上均匀采样，从而产生与下载波导数目以及回音壁模式阶次相关的特定相位分布。进一步通过下载波导末端的光栅就可以将微环腔中的光波散射到自由空间中形成OAM辐射模式。

图3是是清华大学所研制器件的原理示意图和样品照片。该方案的特点是在实现高质量OAM光束芯片产生的同时，提供了高维OAM阶次调控的能力，目前已实现21阶的OAM光束片上动态电调控。

图3 集成OAM发射器清华大学方案的原理示意图和器件样品照片

进一步，清华大学团队将研究工作拓展到表面等离子激元轨道角动量器件以及轨道角动量探测和分类器件等方向，研制出多种新型光电芯片支持OAM光束产生和操控功能的集成化。

量子信息是经典信息论与量子力学相结合的新兴交叉学科,是信息科学与技术领域具有战略意义的研究方向。经过近三十年的研究，多种量子信息功能已得到实现，其中量子光学的研究引起了人们特别的关注。

在光量子信息处理方面，尽管多种量子信息单元功能得到原理验证，然而具有实用意义的量子信息处理系统仍需要至少几十个量子比特，目前在实验室中普遍采用的自由空间光学技术无法实现如此规模的光量子信息系统。利用光量子芯片将大量光子器件稳定集成在一起是提升光量子信息处理系统规模的重要途径。

另一方面，以量子密钥分配（QKD）为基础的量子保密通信技术已完成原理论证，进入实用化推广阶段。然而目前相关系统设备主要由分立器件实现，从实际应用出发的量子通信功能芯片集成化需求日益迫切。

清华大学团队采用硅光子集成技术发展光量子芯片（图4）。首先，利用硅波导中的自发四波混频发展芯片集成的量子光源。微纳尺度的硅波导具有非常高的三阶光学非线性系数，采用几毫米长的硅波导即可实现高质量的双光子量子态产生。通过引入微腔谐振效应进一步增强光学非线性，则可以把量子光源尺寸进一步缩减到亚毫米量级。将片上量子光源阵列化并引入片上干涉仪等光量子态操控手段，进一步实现了硅光量子芯片上复杂光量子态的产生和动态操控。

进一步，清华大学团队和中科院上海微系统所合作，发展出了在硅波导上制备超导纳米线单光子探测器的技术。这些工作表明硅光量子芯片具有实现光量子信息功能综合集成的巨大潜力。

发展硅光量子芯片器件技术的同时，清华大学团队将硅波导集成的量子光源应用于时域量子鬼成像和大规模量子密钥分发网络等系统应用中，充分展现了硅光量子芯片作为未来光量子信息技术重要支撑器件的广阔应用前景。

微纳结构光与物质相互作用的新物理为突破现有光电子器件的技术瓶颈提供了新机理和新途径。基于此，清华大学黄翊东教授团队面向不同应用领域的需求发展出具有自由电子辐射、实时光谱成像、声子激射传感、轨道角动量发射/分束/接收、以及量子态产生及操控等一系列新功能的光电芯片。目前，部分芯片技术正在进行产业化。可以预见，这些新功能光电芯片将会成为光电子技术创新发展的新推手。