杏彩体育科学家开发新型柔性集成光子器件有望用于光电可重构计算

　　杏彩体育平台注册一直以来，液晶材料平台因其电光可调控、光敏可固化性而广受关注。目前，液晶光子器件已在诸多领域作为关键技术支撑。

　　近日，英国牛津大学软物质光电子实验室与中国科学院上海光机所集成光芯片与光子网络课题组合作，依托双光子激光直写技术，在液晶光子平台上研发出兼具稳定和高效性能的柔性集成光子器件。

　　牛津大学工程科学系博士生陈博涵和中国科学院上海光机所青年领军研究员谢鹏是共同第一兼通讯作者，牛津大学斯蒂芬·莫里斯（Stephen Morris）教授担任共同通讯作者。

　　该研究是面向光电可重构计算/光电重构信息处理、脑机接口等领域所需器件，开展的前瞻性探索，旨在以新型光子器件推动相关技术应用发展。

　　谢鹏表示，团队以双光子激光直写技术为切入点，在液晶软物质光子集成平台上，研发了电控可调谐光波导。

　　通过光敏固化成膜，研制了可穿戴、可折叠、可拉伸的柔性集成光子器件。相关实验成果论证了技术路线的可靠性、实用性。

　　审稿人对该研究评价道：“作者所实现的新型柔性集成光子器件，具有高度原创性，在光电信息重构、生物光子学、增强现实/虚拟现实等领域具有重要意义”。

　　在研究开展初期，该团队拟基于液晶聚合物材料平台和液晶分子的电控可调特性，研发片上电控可调光波导，实现新型片上光学逻辑门。

　　因此，当外部电场撤除，未被锁定的液晶分子将归位，加工的结构形成光波导，便对特定偏振入射光实现能量的局域和传输。

　　而当重新外加高电场时，折射率差异消失，器件结构失去光波导功能，光局域能力消失，从而实现了液晶光波导的电控可调谐性。

　　第一，如何制备出性能和响应稳定的液晶光波导。区别于传统硬质光波导，在软材料中进行微纳加工，容易出现加工结构漂动或失真，从而降低测试结果的稳定性和可参考性。

　　为解决该问题，该课题组从材料配比、样品制备，以及制备参数等方面入手进行优化，进而探索出制备高稳定性液晶光波导的技术路径。

　　第二，光的有效耦合测试问题。研究人员最终借助光学耦合平台，通过边缘耦合的方式得到了稳定的耦合及可靠的数据。

　　陈博涵回忆道：“在顺利攻克液晶光波导的制备和耦合测试两大问题后，我们在 2023 年 3 月的一天，再次进行实验的重复性和可靠性验证。最终，在那天凌晨，成功实现了光的有效耦合且观测到稳定的现象。”

　　那一刻整个课题组极为振奋，一鼓作气连夜处理完数据与图片，并将结果汇报给团队老教授，并得到回复：“Perfect!!!”

　　在电控液晶光波导论证完之后，谢鹏提出：基于现有的光子器件，进一步尝试通过紫外线光固化成膜，制备可拉伸、可折叠、可穿戴的柔性光子器件，该类器件或许能够应用在非侵入式的脑机接口领域。

　　这是一个非常工程和考验技巧的环节，陈博涵先后进行上百次的尝试，最终实现了可熟练地将液晶薄膜光器件从玻璃衬底上安全地分离下来。

　　图丨（a）液晶分子走向仿真；（b）入射光耦合图；（c）柔性薄膜液晶光子器件（来源：Ultrafast Science）

　　2021 年，在莫里斯课题组进行科研工作的谢鹏提出“激光直写液晶光波导”研究方向，这是一个非常前沿的课题，甚至是“无人区”。

　　那时候，虽然通过理论计算或仿真模拟已经有了初步判断，但实验室多位研究人员均对该课题的可实施性持迟疑态度，甚至最有经验的莫里斯教授也指出了几个非常难的关键技术点。

　　谢鹏力排众议，展示了充分的仿真设计、相关论证结果，该项目最终获实验室负责人支持，在“试一试”的背景下立项，成立研究小组。在几乎无有效参考文献的情况下，从零开始科学探索。

　　该课题贯穿了陈博涵的整个读博阶段，他于 2020 年加入牛津大学软物质光电子实验室攻读博士学位，恰逢当时谢鹏提出该课题，在自身研究兴趣驱动下他很快加入了研究小组。

　　“幸运的是，我们通过两年多的时间，取得了实质性进展，完成了从 0 到 1 的过程。并且，该研究也成为我博士论文的重要组成部分。”陈博涵说。

　　另据悉，谢鹏已入选海外高层次人才引进计划，全职归国加入中国科学院上海光学精密机械研究所，以青年领军研究员、博士生导师、独立 PI 身份，组建了集成光芯片与光子网络课题组，开展光芯片及应用研究。

　　“此前，我们在光计算技术路径上已做了大量积累，此次研究内容丰富了团队在可重构光电计算领域的技术体系。未来，我们将继续探索更多有趣的科学工作。”谢鹏说。