【光电传感】负折射率波导及应用

dexfire · 2020-4-8 · 次阅读


【光电传感】负折射率波导及应用

负折射率

如果有一个人说,太阳光越是照射我们,我们就会越冷。你肯定认为这个人是个疯子。这怎么可能呢?太阳光是电磁波,是能量,它传播到哪里,能量就流动到哪里,所到之处的能量密度(单位面积的能量)肯定会增加。处在阳光中的我们当然会越来越热了。

可是我们若走进某种材料里,就会出现一系列的怪现象。

我们都知道多普勒效应:光源远离我们时,e799bee5baa6e4b893e5b19e31333264623235我们看到的光的波长会增长,频率会变短,产生红移现象;光源靠近我们,则波长变短,产生蓝移。可是在某种材料中,光源靠近我们却会产生红移,远离我们却是蓝移。

见过无限薄的凸透镜吗?现实中的凸透镜不论是老花镜还是隐形镜片,都是有厚度的,有前后两个界面,无限薄的凸透镜在现实中存在吗?存在!这种不寻常的透镜是2001年英国科学家提出的一种完美透镜。利用特殊的材料,完美透镜是可以制作出来的。

光线在一般的透明界面上既会折射也会反射,或者只是反射(全反射)。例如,我们站在河岸上,既会看到水中的鱼也会看到自己的倒影。如果某一天,“水面”一马平川,没有任何倒影,你会不会觉得恐怖?某种材料会产生这样的景象。

光速是不可超越的,可是在某种特殊材料中,却可以观察到超光速现象。

又是“某种材料”,这神秘的特殊材料到底是什么呢?

负折射率的性质 Nagative refraction index material -> NRMs

自然中并没有天然存在的负折射率材料,因为天然不存在,所以这严重限制了我们的想象力。科学是需要想象力的,就像在爱因斯坦之前没有人想到过(或者深入研究过理论)时间是可以引力影响的,而并非时间独立于引力存在。

负折射率材料:

  1. 群速度(S)与相速度(k)反向

群速度是能量传播的方向,k是波前移动的方向。
所以,负折射率材料中的光波能量与相位传播方向相反。

  1. 负折射材料,EBk呈现负手系关系。
  2. 发生折射时,折射光线与入射光线位于法线的同一侧。
  3. 逆多普勒效应,当探测器相对靠近物体移动时,正常材料会发生频率右移
    也就是频率升高,但负折射率材料,频率会降低。反过来,相互远离时,探测的频率反而会升高。

这也是现在我们听起来匪夷所思的现象。

  1. 目前实现负折射率的方法是:
    1. 双负介质,电共振、磁共振:采用SRRs和导线阵列,制作微波段负折射率材料
    2. 双负介质,电共振、磁共振:电感电容,共振方法
      缺点:光频波段的电共振、磁共振,会产生很大的损耗,因为损耗随距离的衰减因子是

虽然实现出来的效果是非线性,也并非全部波段都可用。不过光纤的发展也是经过了这样一段历史,
目前通信用光纤的低损耗窗口,也是在经过多年的研究,改善得来的。

奇妙的负折射率

它就是现在科学家研究火热的具有负折射率的材料!

那么,什么是负折射率呢?

且看一般介质的折射情况:光穿过不同介质的界面时,光的传播路线会改变,不再是直线传播。一根筷子插到水中,筷子好像在水面处被折断了,水中的部分看起来向上弯折了。每个人都很熟悉这个现象,这是由于光从空气进入水中时,发生了折射, 光线向下偏折了造成的。折射现象会发生,是因为光在不同介质中的传播速度不同造成的,介质中的光速越小,介质的折射率就越大,偏折就越厉害。水和空气就是不同的介质。

我们一般把真空的折射率定为1,光在真空中的传播速度与在某种介质中的传播速度的比值,就是这种介质折射率的数值。既然光在真空中的传播速度最大,那么任何其他介质的折射率应该都不会小于1,即自然界中介质的折射率应该都是大于1的正值。所以,光线若是从真空斜射入其他介质中,从旁边看,光线都应该是向下偏折的。

负折射率有什么用?

完美透镜

超衍射分辨率透镜

  1. 衍射极限,限制了很多领域的发展,一方面是成像的扫描精度,被限制到了可见光波波段的衍射效应层级,nm量级已经非常困难。

后续可以用于超分辨率成像

  1. 光刻机
    摩尔定律,讲的是每过几年,半导体设备的性能会翻番。原因就是,加工工艺进步,器件功耗下降,性能近乎倍增,生产成本甚至也会下降(节约晶圆,国内的晶圆纯度达不到高精度芯片的标准要求,国内目前只有一家企业可以成熟工艺,生产高纯度晶圆),10nm,一个晶圆生产480个芯片,40nm工艺,则只能生产480/16=30个芯片。

目前,国内只有军工领域可以实现芯片的自研自用,为什么呢?因为军工产品可以不计成本,军事产品上的芯片,要求高性能又要自主设计怎么办呢?加大芯片体积,质不够,量来凑,我1cm2达不到标准,用个4cm2或者10cm^2的芯片,还不能达到同样的性能嘛?

这就是为什么光电产业,会成为新工科的名单之一,因为这个领域太抢手了,如果有可能的话,能够有一些的技术突破,当然要突破性的进展,国内的芯片产业才能起步。

另一方面呢,国内芯片一直不太行,为什么?因为芯片不像是经济、消费市场,不行呀,砸钱可以不?不行,还需要技术积累,还需要时间。技术积累是什么呢,就是很多关键性技术,不一定有公开的论文给你用,国外芯片厂商肯定有自己的研究成果,只是申请了专利,不会对外公开科研论文,高速你这个什么架构,什么原理,什么工艺,中国的芯片是老大难的问题,投入大,短时间内又看不到产出,也就造成了目前这个局面。当然中国也在发展自己的芯片产业,包括我们学院陈显平老师在做的研究方向,为什么半导体这么热?为什么光学是前景很好的学科呢。

我们回到我们的问题,我们为什么要做“完美透镜”呢?什么是完美透镜?就是没有相差,我们信息光学学过的,透镜,由于其折射率不均匀、相差的影响,目标像点,是理想高斯像与系统光瞳函数的夫琅禾费衍射像斑的卷积结果,也就是,本来很精准的一个像点,模糊成了一个像斑。

我们说华为是中国的骄傲,是世界的骄傲,为什么,因为他花了不到十年时间自主研发的麒麟系列手机处理器芯片,基本可以比肩有几十年芯片生产功底的美国高通,韩国三星,而且不仅仅是处理器核心,还有基带部分,包括最近的自研5G技术,都是从无到有,最后走上国际上的前沿,这是一件非常了不起的事,当然,理性爱国,只给大家讲一些事实,这里就不带情绪了。而且有一点,很关键的是什么呢?

华为

如果能做出来完美的透镜,那么真的就厉害了,为什么,因为你的聚焦能力,可以将一束平行光聚焦成一个无限小的像点啊,无限小什么概念,这就是摩尔定律被击穿了,你不是一次翻一番,这就是一次翻了几十倍上百倍都是有可能的。

当然中国芯片产业,依然任重而道远,这本质上来讲,也不是一个完美透镜的问题,革命尚未成功,同志仍需努力。

负折射率材料的历史

近期频繁有发表在 nature,science 期刊上的负折射率材料研究,因为即使无法实现完美透镜,但负折射率,光子器件的微型化,集成化,都有可能以负折射率材料为跳板。就像现如今的半导体行业,是在当时不起眼的pn结的研究基础上一样。

其实我们学了很多光学相关的技术,其实最近在看的一本书上,讲的一句话,我们做科学研究的目的是什么,其实所有的研究最终都要应用于生活场景。

下面由我来为我们这个课题进行一个总结,
前面我们小组同学为我们介绍了负折射率现象,负折射产生的原理,常见的负折射率波导的应用场景。那么我呢为大家梳理一下负折射率材料的发展史与未来,

我们知道,透过普通的的光学材料,折射现象是我们通常学到的,斯聂耳折射定律,n1sinθ1=n2sinθ2,在负折射率材料中,发生一种反常的折射现象,也就是光线发生法线同侧的弯折,很多同学可能就会有疑问,这样一种性质,花了那么多人来研究的现象,写了那么多篇论文,究竟能做什么。

我们需要一个科学背景,来体会一下,为什么我们会需要进行这样的研究。


与光纤通信的比较

其实,这些
其实,类比是一种比较容易理解的,我们拿我们熟悉的光纤通信的发展。
美籍华裔物理学家高锟教授发明了光纤,起初的光纤,并不能。

而目前我们负折射率的发展呢?

我们知道,最初是…在1968年提出的一种猜想。
此后,逐步变为现实。

特点入手:

  1. 负折射率材料在军用雷达天线和通信器件中的应用
  2. 负折射率材料在隐身技术领域的应用

由于有损耗的负折射率介质平板波导的色散很厉害,吸收很大,可用作光通信中的。
光纤通信中我们在想方设法的降低材料色散,改善传输特性,但色散系数高有没有好处呢?色散是光在介质中传输时,其波速随频率呈现一定的分布的现象,不同的频率的传输速率不同,同时呢,原本传输。

衍射极限的概念几乎贯穿了我们所有的光学学科,目前我们,几何光学当中,显微镜的分辨率极限是收到了衍射极限的限制。物理光学中的法泊干涉仪FSR也是收到衍射极限影响,其实远远不止这些,光纤的,光刻机的加工分辨率分辨率,芯片的加工工艺极限。

其实这里既然讲到了光刻机,讲到了半导体,那么我们也顺带提一提我们我家目前的芯片发展。

我们知道前段时间闹得沸沸扬扬的中兴制裁事件,还有华为被国外政府尤其是美国进行打压、限制产品销售,包括谷歌、微软、英特尔、高通这样的大公司都给美国政府站台,下架,并且终止商业合作关系,值得注意的是,到目前为止,美国仍然没有解除这条禁令,

即便美国成为全球疫情最严重的地区,美国仍不中止对中国的科技战。成为新冠病毒疫情“震中”并未浇熄美国加大打击华为力度的念头。

这里我们可能就很纳闷了,到底是什么能够让美国动用国权,动用倾国之力,请愿牺牲自己的民族产业利益,来打压一家也许在美国人眼里“不那么起眼的”中国公司呢?

其实呢,答案可以说与我们有一些关联,

美国为什么这么忌惮华为呢?我们这里展开讲一点,

另外一点比较有意思的事情就是,

去年5月以来,美国政府将华为列入“实体清单”,以此来限制美国企业与华为的正常商业合作,打响了中美科技战。但是,由于两国科技企业的高度关联性,中国是轻工业、家用电子产品的大型出口国,同时也是美国芯片产业的最大客户,开打科技战,面临“”杀敌一千,自损八百“的后果,因此美国曾五度延长允许美企与华为开展部分业务的临时许可,而最近到期日期是下个月的5月15日。

那么我们说,负折射率材料,有望突破衍射极限,其实这本身就是一个值得我们投入大量精力研究的方向。

以前中国在通信技术上是说不上话的,美国的高通、摩托罗拉、爱立信(瑞典)、贝尔实验室,都是老牌的通信企业。美国的半导体,美国对基础研究无论在深度还是广度上都首屈一指。长期积累的物理、数学、化学实力是微电子学、电力学发展的基础。而中国,半导体发展历史,呢

讲了这么多,也就是想说,如果中国能够在光刻机,芯片制造等方面取得主导权,那么相当于中国几乎就可以摆脱

讲了这么多呢,其实不一定能给大家讲明白什么知识,只是希望大家能从我们的讲解当中有所思考,有所启发,我们的讲解呢,就到这里,谢谢大家!