新型硅基光子芯片实现光单向无反射传输

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中国南京大学和美国加州理工学院研究人员11月25日在英国《自然—材料》杂志网络版上发表论文称，他们设计出一种新型硅基光子芯片，初步实现了光的单向无反射传输，拓展了光子晶体及传统超构材料的研究领域，为经典光系统中探索和发展具有量子特性的新型光子器件提供了新的研究思路。

通过光子而非电子携带信息的光通信技术目前应用已很广泛，其优点是通信容量大、数据损耗低、保密性好。然而电子计算机领域仍依赖于电子芯片，这在很大程度上限制了光通信的进一步发展，同时电子器件的量子尺寸限制和功耗问题也成为计算和通信领域持续发展的瓶颈。

科学界希望光子能成为新的信息载体，希望光子芯片成为未来超高速通信和运算的主要信息处理器件。光子芯片的使用可大大提高网络数据传输和运算速度，对单位和家庭网络及手机无线网络都将产生革命性影响。不过，制备光子芯片也面临重要难题——如何实现非对称光信号的传输。非对称传输的器件在电子和微波领域已得到广泛应用，如电子二极管和以单向耦合器为基础的微波网络分析仪。中美研究人员的目标就是制备出“光子版”单向传输器件，即以光子二极管为核心的光学网络分析仪。

研究人员去年设计出一种硅基光波导，光在波导内沿着一个方向传播，当它沿相反方向传播时则会弯曲，这种光学元件为实现光的单向传输、光二极管件等提供了新路径。最近的研究则在硅基波导上巧妙引入实部和虚部的匹配相位调制，实现了光波导中光的完全单向反射，这一单向无反射的硅基波导有望被用于实现硅基芯片集成的光学网络分析仪。

论文共同作者、南京大学卢明辉副教授认为，这一研究成果为实现可与CMOS（意为互补金属氧化物半导体，一种大规模应用于集成电路芯片制造的原料）工艺相容的新一代光子器件集成工艺设计、制备提供了新途径，拓展了光子晶体及超构材料的研究领域，为人工结构材料领域的发展开辟了新路径。

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Experimental demonstration of a unidirectional reflectionless parity-time metamaterial at optical frequencies
    Nature Materials
    (2012)
    doi:10.1038/nmat3495