亚波长波导模式转换的瞬态过程研究：
光学芯片中模式转换和太赫兹集成器件的新思路

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近年来，随着通信对带宽和片上集成技术的需求的急剧增加，超短光脉冲与微纳功能结构的相互作用的研究变得非常重要。传统的导波光学对于光波在亚波长波导中的稳态传输性质有着很好的描述，并且很多的分析还适用于脉冲光的情形。基于这些理论，许多技术得到了广泛的发展和应用，例如，光信号接收器、处理器、相干控制器和发射器等。

然而，对于脉冲光，尤其是少周期甚至单振荡周期的脉冲光，在亚波长波导中传输的瞬态特性的研究还是非常有限的。例如，亚波长波导中的模式转换过程需要数个波长的传输距离，这一现象的研究对于光学芯片中高速通信技术的发展有着重要的意义。但这一问题的研究具有以下两个难点：i) 理论上需要求解含时的麦克斯韦方程组，而不只是亥姆霍兹方程或者更简单的几何光学处理方法；ii) 实验上，研究这种超快的瞬态过程需要一整套精细的时间分辨探测平台和相应的分析方法。

另外，太赫兹作为通信技术的一个重要发展方向，近年来取得了突飞猛进的发展。太赫兹波在波导、天线、微腔等方面的研究都已经获得了长足的进步。在此基础上，需要进一步开展超短太赫兹脉冲与亚波长结构的瞬态作用过程的系统研究，以促进太赫兹技术，尤其是太赫兹集成芯片技术的进步与发展。

近日，南开大学吴强、许京军研究团队，利用时间分辨相衬成像技术对太赫兹超短脉冲在铌酸锂亚波长波导中的模式转换过程进行了研究。该研究系统的时间分辨率达到了太赫兹电磁振荡周期的十分之一，空间分辨率达到了太赫兹波长的几十分之一，实现了对太赫兹波的超时空分辨探测。采用这种方法，他们发现模式转化过程中存在一个反常的波前扭转振荡现象，即波前到达平衡位置后并未形成稳定的传输，而是围绕平衡位置做阻尼振荡。这个现象，需要数个波长的额外传输距离（数皮秒到数十皮秒的额外转换时间），以达到系统稳定传输。这个转换过程也会随着波导的宽度、倾角等因素的不同而改变。

该研究为亚波长结构与器件，尤其是高集成度光学芯片中的模式耦合与转换器件的设计，提供了必要的指导。在亚波长超短脉冲体系的设计中，必须考虑该转换过程。具体而言，数个波长的额外转换过程要求光耦合器件具有足够的耦合距离，否则整个系统就会因为转换距离设计的问题而引入额外的信号损失。同时，铌酸锂亚波长平板波导作为太赫兹集成芯片的基质材料，能够集太赫兹波的产生、调控、探测、与物质相互作用等于一体，为太赫兹的集成技术和应用提供了一个平台。基于这个亚波长平台的设计，也必须要考虑相关的瞬态过程。

这一工作以“Time-resolved imaging of mode-conversion process of terahertz transients in subwavelength waveguides”为题，以快报形式发表在Frontiers of Physics (doi: 10.1007/s11467-019-0892-5)上，第一作者为南开大学博士生Yao Lu (卢瑶)。

文章链接： 

Yao Lu, Qiang Wu , Qi Zhang, Ri-De Wang , Bin Zhang, Wen-Juan Zhao , Deng Zhang, Hao Xiong, Cheng-Liang Yang, Ji-Wei Qi, Chong-Pei Pan, and Jing-Jun Xu, Time-resolved imaging of mode-conversion process of terahertz transients in subwavelength waveguides, Front. Phys. 14(4), 42502 (2019)

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