南京大学李涛研究组在超透镜成像获得重要进展：密集波导阵列实现亚波长自成像

江科技评论

供稿：李涛研究组

导读

近日，南京大学李涛教授研究组报道了他们在超透镜（Superlens）研究方面的重要进展。他们通过级联的直波导和弯曲波导阵列来模拟正折射率和负折射率材料，实现了亚波长的自成像功能。成果以“Subwavelength self-imaging in cascaded waveguide arrays”为题发表在《先进光子学》（Advanced Photonics 2, 036001 (2020)）。南京大学现代工学院16级直博生宋万鸽为该论文的第一作者，李涛教授为论文的通讯作者。

研究背景

在亚波长尺度上实现光场的精准调控对于成像技术以及光子集成都有重要的意义。为了实现超分辨成像，人们利用负折射率的超构材料，提出了超透镜的设计。然而，实现这种负的介电常数和磁导率往往需要复杂的结构设计以及精准的加工技术。为了避免这些问题，人们通过设计加工多层膜结构以及纳米线阵列的结构, 得到呈双曲型的色散曲线。虽然这种双曲色散材料相比于负折射率的超构材料加工难度有所降低，但是由于这些材料的各向异性，它们与空气背景的界面处存在阻抗失配，因此往往会导致巨大的损耗。

另一方面，光波导阵列目前已被广泛地应用到光场的灵活调控上来。如果从有效介质的观点来看，波导阵列体系和超构材料体系都具有亚波长的晶格单元。例如，多层膜结构或纳米柱阵列结构的超构材料其实可以看作是一维的平板波导阵列或二维的圆柱波导阵列，因此它们在效应上应该具有一定的相似性。值得注意的是，双曲材料其特殊的色散曲线很大程度上来源于紧密排列的多层膜或纳米柱之间的耦合效应。因此，可以用通过精准调控耦合的波导阵列来模拟双曲材料等效的负折射系数。这样结构会得到大大的简化，但是一些不平庸的效应和功能却仍然可以保留下来，比如说，打破衍射极限的成像。

创新研究

本工作提出了一种基于直波导和弯曲波导级联型阵列，并在一维硅波导中成功演示了亚波长的自成像功能。他们借鉴了超透镜的设计原理，用直波导阵列扮演正折射率介质，而弯曲波导阵列具有相反的色散关系，因此可以模拟负折射率介质。有趣的是，直波导和弯曲波导这两部分可以在结构上完美地衔接起来，同时由于它们的传播常数非常接近，在连接处的阻抗匹配条件可以得到满足。因此，界面处的散射损耗可以被很好的抑制掉。在实验上，研究人员设计了具有多个输入输出端口（光栅）的级联波导阵列。他们用近红外的激光打在不同的输入端口上，用CCD来观察光的耦入耦出情况。研究人员发现，即便是在亚波长的尺度下，级联型波导阵列依然可以完美地将输入信号汇聚到特定的波导上输出，输出波导的位置和输入波导的位置保持一致，这就实现了亚波长的自成像功能。

相比于前人通过表面等离激元和超构材料的设计来实现的亚波长成像，比如等离激元透镜和双曲透镜，这种设计在低损耗，加工难度，以及阻抗匹配方面都具有优势，为在亚波长的尺度上调控光场提供了强大的手段。同时这种对输入信号的完美传输与复现也为片上光路由和高密度低串扰的光子集成提供了一种切实可行的解决方案。这种方案也可以拓展到二维波导阵列体系，基于此可以实现真正的打破衍射极限的成像透镜的功能。该工作被SPIE News和PhysOrg News以“Waveguide array transports light without distortion”为题进行亮点报道。

该项研究得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委、南京大学登峰人才计划等项目的支持以及固体微结构物理国家重点实验室微加工中心的技术支持。

图文速览

图一、级联型波导阵列实现亚波长成像的示意图。

图二、级联波导阵列中的亚波长自成像：(a) 正负耦合结合的波导阵列可以超透镜的功能。(b) 级联波导阵列示意图。(c) 模拟的光场传播情况。(d) 模拟的 “0”/“1” 编码的信号在级联波导阵列中的传输情况。输出信号完美地复现了输入信号。(e) 实验加工的级联波导样品的SEM 图。(f,g) CCD记录的光场在直波导(f)与级联波导(g)样品中的传播情况。下方的柱状图展示了输出端口光场强度分布情况，红色箭头标注了光场输入的位置。