量子阱超表面用于紧凑非线性光子器件

频率转换示意图：两个较低能量的波合成为一个较高能量的波。[图片：Joshua Mornhinweg / Capasso group]

非线性频率转换能够产生激光难以甚至无法直接获得的波长上的相干光。传统上，该过程依赖于本征非线性较弱的体块晶体，这意味着高效转换需要相对较大的相互作用体积或高光强——这是器件微型化的一大障碍。

现在，美国的研究人员将半导体多量子阱材料与超表面相结合，在近红外至可见光波段实现了巨大的有效非线性（Nat. Nanotechnol., doi: 10.1038/s41565-026-02268-0）。这一创新为电信、量子计算及其他光子技术领域更紧凑、更高效的器件开辟了潜力。

更高的光子能量

这项概念验证实验凸显了将超表面与量子阱相结合用于非线性频率转换的潜在优势。

Pernille Undrum Fathi 及其同事首先研究了多量子阱材料，这类材料已被用于演示比体块晶体高出数个数量级的二阶极化率。然而，其工作波长此前一直局限于中红外波段。

研究作者 Fathi 表示：“与依赖导带内跃迁的成熟非线性量子阱方法不同，我们在这里设计的是价带与导带之间的跃迁。这使我们能够将这一概念扩展到高得多的光子能量，包括电信中使用的近红外波长。”Fathi 是哈佛大学 John A. Paulson 工程与应用科学学院 Federico Capasso 实验室的博士生。

强非线性响应要求电场既有平行于量子阱层的分量，也有垂直于量子阱层的分量，这给自由空间激发带来了挑战。为解决这一问题，研究人员将多量子阱异质结构与高品质因数介质超表面相结合，从而在纳米尺度上精确控制电磁场。

更强的非线性响应

这项概念验证实验凸显了将超表面与量子阱相结合用于非线性频率转换的潜在优势。加入超表面中经过精确设计的纳米柱后，有效非线性转换效率比未图案化晶圆高出三个数量级，也高于此前报道的近红外波段同类器件的数值。

Fathi 说：“我们的研究揭示的一大优势是，能够在厚度不到 1 微米的结构中实现强非线性响应，且工作波长对电信等领域至关重要。最终，这样的平台有望催生尺寸小得多、能效更高的非线性光学器件，并可与其他光子技术集成，应用范围涵盖数据中心、光信号处理乃至量子光子学。”