成果 | 厦大物理陈焕阳团队在波导隧穿方面取得重要进展

近日，厦门大学物理学系陈焕阳教授团队基于色散工程在波导中引入光学势阱，实现了截止频率下波导的异常隧穿并保留了模态信息。衰逝波在外部空间和势阱之间构建了桥梁，通过调节势阱内的泄露模式从而实现多次共振隧穿。利用相邻隧穿间的恒定相位差，可用于设计双单元集成器件如超构光栅。微波领域的实验结果很好地证实了这种隧穿机制。该方案提供了一个理想的工具箱，适用于不同阶数或偏振模式，在光学滤波器、光开关和传感等领域具有重要应用价值。相关研究成果以“Multifunctional Waveguide Tunnelling via Leaky Modes”为题，发表在国际期刊Laser & Photonics Reviews 2024, 2301398。关键词：波导隧穿、超构光栅、衰逝波导波模式普遍存在于多种物理体系，提供了一个极低损耗的波调控平台。对于典型的金属波导，电磁波在截止频率以下是不透明的，并激发衰逝波。近年来，超构材料的进展为不透明材料中探索高效传输提供了新的视角，通过将截止波导配置为等效近零或负折射率材料以增强传输。以往研究面临的挑战在于，波导内部充满了复杂的结构，如开口谐振环、金属线阵列或其他各向异性超构材料，导致整体尺寸过大，阻碍了器件小型化和集成化。此外，波导端口处的切向矢量失配也阻碍了器件与入射波的有效耦合。因此，以往工作主要局限于在苛刻条件下的传输效率增强，且牺牲了复杂光场所携带的其他信息。如图1(a)所示，考虑在x-y平面上入射TE平面波的二维平板波导，等效折射率虚部的平方可定义为光势。在截止频率以下，波导的两端是势垒的一部分，指数衰减的衰逝波允许光子部分穿透光学势垒，但这种隧穿效应通常很弱可以忽略不计，如图1(b)所示。本文在波导中加载梯度厚度电介质板来构建等效双势垒模型，激发势阱内部的多个离散共振模时可以显著增强隧穿效率，从而实现多阶完美传输，奇模和偶模隧穿的电场模值图如图1(c)-(d)所示。该工作提出的隧穿机制可以在正常光照下激发且对不同角度入射具有一定鲁棒性，不需要额外的动量匹配技术。图1. (a)结构示意图。(b)空波导。(c)奇模隧穿。(d)偶模隧穿。隧穿模式的形成不仅取决于两端衰逝波的叠加，金属壁间驻波的相干作用也为多模隧穿提供了所需的切向波矢匹配。波导两端的衰逝波将光学势阱中的束缚模转变为泄露模，可以向周围环境辐射能量。这种能量辐射超出了截止频率的限制，为操纵波的传播和能量转移开辟了有趣的途径。基于耦合模理论，可以用泄漏模的复本征频率精确再现共振透射谱。为了验证上述理论，我们制备了介电常数为9.6，损耗正切tan𝛿= 0.001的样品。如图2(a)所示，采用近场扫描系统来测量隧穿波导的电场分布，可以观察到明显的场增强现象。 图2. 奇模/偶模的实验验证。(a)测量系统。(b)-(c)电场振幅和相位的测量结果。(d)两个样品的仿真和测量透射谱。(e)沿红色虚线测量的 |Ez| 和相位。通过将大量波导单元组装成阵列，可以构建体超构材料或超构光栅[1]。基于金属波导的超构光栅最近吸引了很多兴趣，然而多数工作局限在二维TM偏振，因为该配置具有类似于平面波的基模且不存在截止频率。而在二维TE偏振下的隧穿波导中，恒定相位差提供了构建双单元相位调制器的天然平台。图3(a)中我们基于这种单元展示了三种异常折射的情况：ξ<k0、ξ=k0 和 ξ>k0。图3(b)显示了所设计的超构光栅(ξ=k0)的全波模拟和实验测量电场，数值和实验结果吻合良好。图3. TE偏振超构光栅的仿真和实验验证。(a) ξ=0.9k0、ξ=k0 和 ξ=√2k0三种情况下的Ez分布。(b)在30°斜入射下，异常折射隧穿超构光栅的仿真和实验测量结果。实际应用中，与二维TE偏振类似，三维波导也存在截止频率。图4展示了矩形波导中不同偏振模式的选择性隧穿。多模波导中，不同模式的滤波一直是一个复杂且挑战性的研究领域，特别是在处理具有相同截止频率和传播特性的简并模式。以宽波导中的简并模TE11和TM11为例，当TM11模式的透射率达到最大时，TE11模式的透射率几乎可以忽略不计，实现了对于不同偏振模式的最大差异性传输，有望应用于波导滤波和复用。图4. 三维波导中不同偏振模式的选择性隧穿。    在截止波导中，我们通过构建光学势阱，利用泄露模共振实现了最大隧穿，这在实验中得到了很好的观察。相邻共振模式之间的恒定相位差为集成光学提供了新的视角。不局限于平面波入射，还首次发现该系统可以支持高阶模式的完美隧穿。虽然整个方案是在微波领域设计的，但类似的概念有望应用于红外或光学领域[2]，甚至不同物理场，这一发现极大地丰富了对多维度隧穿效应的研究。厦门大学博士生胡传捷、李珏为论文的第一作者，厦门大学陈焕阳教授为通讯作者，新加坡国立大学仇成伟教授对该工作做出了重要指导。该工作是在国家重点研发计划(2020YFA0710100、2023YFA1407100)、江西省自然科学基金(20224ACB201005)以及中国留学基金委的资助下完成。参考文献：[1] Nat. Mater. 2010, 9, 407.[2] Phys. Rev. Lett. 2013, 110, 013902.文章链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202301398陈焕阳教授课题组主页：https://kenyon.xmu.edu.cn