新型光晶體管器件研究新進展

[本刊訊] 經過十多年的不懈努力，國家納米科學中心戴慶研究員團隊在實現極化激元高效激發和長程傳輸的基礎上，成功創制“光晶體管”，實現納米尺度光正負折射調控，顯著提升了納米尺度光操控能力。相關研究成果以“電柵極可調的中紅外極化激元負折射”為題，于2023年2月10日發表在《科學》（Science）周刊上。

與電子相比，光子具有速度快、能耗低、容量高等優勢，在大幅提升信息處理能力方面具有很大潛力。因此，光電融合系統被認為是構建下一代高效率、高集成度、低能耗信息器件的重要方向。但由于光子不攜帶電荷且光的傳輸受限于光學衍射極限，與能輕易調控的電子相比，對光子的納米尺度調控并不容易。如何在納米尺度對光進行精準操控是其中最關鍵的科學問題。

光電互聯技術相當于光電兩條高速公路交匯的收費站，而現有硅基光電集成方案存在轉化效率低、光模塊體積難以縮小等瓶頸問題，嚴重制約芯片內部的信息流轉。該團隊率先提出利用納米材料的表面波（極化激元）作為媒介實現高效光電互聯的新思路，相當于將原來的收費站改造成立交橋，從而大幅增加傳輸通道和提升信息處理的速度。電—極化激元—光轉換路徑的顯著優勢有：①效率高，光/電激發材料表面波的效率相比光電效應提升潛力巨大；②集成度高，光波轉化成材料表面波可將波長壓縮百倍，輕松突破衍射極限，從而顯著提升光模塊集成度；③算力強，材料表面波具有光子性質可進行高效并行計算，從而將現有光電融合的“光傳輸、電計算”拓展成為“光傳輸、電計算+光計算”，達到“1+1>2”的效果。

極化激元是一種由入射光與材料表界面相互作用形成的特殊電磁模式，具有優異的光場壓縮能力，可輕易突破光學衍射極限，不僅可實現高效光電互聯，還可提供額外的信息處理能力，提升光電融合系統的性能。團隊成功獲取了低對稱極化激元的影像，證實了近場“軸色散”效應，揭示了一種新的納米尺度上實現光子操控的可行路徑。同時，通過大幅提高納米尺度的光子精確操控水平，成功將10微米波長的紅外光壓縮成幾十納米波長的極化激元，并調控性能，實現平面內的能量聚焦和定向傳播。

在前期研究的基礎上，團隊設計并構筑了微納尺度的石墨烯/氧化鉬范德華異質結，實現了用一種極化激元調控另一種極化激元開關的“光晶體管”功能。充分發揮了不同材料的納米光子學特性，突破了傳統結構光學方案在波段、損耗、壓縮和調控等多個方面的性能瓶頸。

該研究利用材料表面波可在納米尺度實現高效光電調制功能，為構筑高集成度光電融合芯片提供了新路徑，為聚焦極化激元邏輯器件的研制，實現芯片內“光傳輸、電計算+光計算”這一世界難題提供了解決方案。

（曉 工）