现代工学院胡伟、陆延青团队开发“软”集成光子元件

最近，现代工学院胡伟、陆延青团队通过合理预设液晶平面结构取向，诱导液晶组装实现特定的折射率平面分布，制备出均质、各向异性的集成光子元件。基于温度与入射偏振控制，实现了单个元件的功能调谐与开关。进一步结合电场、光场等外场的定点操控，有望实现片上分立元件的动态串并联。该“软”集成光子元件将为可编程集成光子芯片提供一种可行的解决方案。该成果以Liquid-crystal-mediated active waveguides toward programmable integrated optics为题，于2020年3月18日在线发表在《先进光学材料》上（Adv. Opt. Mater. 2020, 1902033）。

现代光子技术不断朝向小型化、集成化、多功能与自适应等方向发展。片上集成光子芯片在光信息处理、光通讯与传感等领域发挥了至关重要的作用。光波导是实现各类集成光子元件功能和彼此连接的基础。其通过控制空间折射率分布实现电磁波的全内反射来操控光的定向传播。光波导通常经由设定硅、二氧化硅、III-V族、铌酸锂和聚合物等材料的微结构或掺杂分布来实现。传统的集成光子芯片好比雕版印刷，功能元件与连接波导以固定的结构和材料组成进行大批量的复制，因此芯片的组织架构和功能都是固定的，一旦局部损坏，整个芯片的功能也被破坏。如能实现分立元件的动态波导连接，则可实现光子芯片的可编程控制（可类比于活字印刷术），按需进行芯片赋能，能够大大提升芯片的安全性与可靠性。

针对这一目标，该研究团队利用光控取向技术进行液晶指向矢面内分布的精确操控，以获得预设的各向异性折射率空间分布，从而制备出一系列基于均质液晶材料的渐变折射率波导元件。论文中展示了直形/U型波导、环形谐振腔等多种集成光子元件。基于液晶这类软物质的内禀外场刺激响应特性，团队还通过热调控和入射偏振变化实现了波导功能的调谐与开关。上述设计同样适用于光聚合液晶薄膜材料，这赋予该类液晶波导元件优良的柔韧性。通过有选择性的局部聚合，结合电场、光场等外场的定点操控，有望实现固定功能元件之间的动态波导连接，从而为未来可编程集成光子芯片提供一种可能的方案。

图1 a，液晶波导指向矢空间分布示意图；b，温度控制的液晶直波导开关； c，弯曲波导与环形谐振腔中的光传导；d，集成“软”光子芯片。

17级硕士生魏挺和陈鹏副研究员为该论文共同一作，胡伟教授和陆延青教授为本文通讯作者，唐明劼、吴光兴、陈召宪、沈志雄、葛士军副研究员和徐飞教授对本文有重要贡献，姜校顺教授给予了建设性意见。该研究由国家重点研发计划、自然科学基金、省杰青等项目资助完成，同时获得人工微结构科学与技术协同创新中心、南京大学十百千工程、中央高校基本科研业务费等平台与项目的支持。

实验室网址：light.nju.edu.cn