傳統(tǒng)光波導(dǎo)基于全反射原理，為了將光束縛在光通道內(nèi)，并抑制相鄰波導(dǎo)間的倏逝波耦合(即串?dāng)_)，通常需要在通道間設(shè)置波長(zhǎng)量級(jí)的低折射率隔離層(包層)。包層無法傳播光，因此浪費(fèi)了大量空間。這種空間隔離也從根本上限制了光子芯片集成密度的進(jìn)一步提升。如何降低這種隔離層厚度，進(jìn)一步提升集成度成為了近年來光子芯片領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。2022年，南京大學(xué)賴耘教授、彭茹雯教授、王牧教授、宋彤彤博士、褚宏晨博士、蘇州大學(xué)羅杰研究員等基于光子晶體/超構(gòu)材料首次實(shí)現(xiàn)了零間距波導(dǎo)系統(tǒng)，發(fā)表于《物理評(píng)論X》(Phys. Rev. X 12, 011053 (2022))，并獲得了國(guó)際物理媒體《物理》和《今日物理》的專題報(bào)道(Physics 15, 39 (2022),Physics Today 75, 20 (2022))。這個(gè)突破性的發(fā)現(xiàn)引起了學(xué)術(shù)界的廣泛興趣和深入研究拓展(ACS Photonics 11, 2422 (2024)，Laser & Photonics Reviews 19, 2402117 (2025)，Nature 656, 73 (2026))。然而，至今為止，大面積光子晶體/超構(gòu)材料的加工制備面臨著嚴(yán)重挑戰(zhàn)，給零間距波導(dǎo)系統(tǒng)的實(shí)際落地造成了障礙。因此，如何簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，在均勻電介質(zhì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零間距、低串?dāng)_的光波導(dǎo)通道，是實(shí)現(xiàn)超高密度光子集成的關(guān)鍵。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)利用微擾工程調(diào)控光波導(dǎo)對(duì)稱與反對(duì)稱超模的物理機(jī)制，通過在電介質(zhì)平板表面引入金屬微擾，在無物理隔離、零間距的條件下實(shí)現(xiàn)了對(duì)光信號(hào)的有效隔離，構(gòu)建了一種新型零間距光波導(dǎo)。圖1展示了基于微擾工程實(shí)現(xiàn)零間距波導(dǎo)系統(tǒng)的原理。圖1(a)展示了一個(gè)普通電介質(zhì)平板的對(duì)稱超模(symmetric supermode)和反對(duì)稱超模(anti-symmetric supermode)的電場(chǎng)分布圖，而且它們的折射率具有較大差別(ns?na)。如果把電介質(zhì)平板看成兩根并列且零間距的波導(dǎo)，ns?na導(dǎo)致了這兩根波導(dǎo)之間具有強(qiáng)烈的耦合(耦合長(zhǎng)度Lc=λ02ns-na)。圖b展示了光在電介質(zhì)平板內(nèi)傳輸時(shí)耦合導(dǎo)致的發(fā)散現(xiàn)象。研究表明，結(jié)合微擾理論，通過在介質(zhì)表面中心引入深亞波長(zhǎng)尺寸(約λ0/25)的金屬微擾(如圖1(a)右圖所示)，能夠選擇性地改變對(duì)稱超模的有效折射率，同時(shí)使反對(duì)稱超模的折射率幾乎保持不變，從而實(shí)現(xiàn)了超模簡(jiǎn)并，即ns=na。這會(huì)導(dǎo)致耦合長(zhǎng)度趨近于無窮大(即零串?dāng)_)，即Lc=λ02ns-na→∞，使得光場(chǎng)被完美局域在單個(gè)通道內(nèi)。因此，如果在一個(gè)電介質(zhì)平板上制造出一排金屬微擾，完全可以實(shí)現(xiàn)一系列零間距的獨(dú)立平行波導(dǎo)陣列，正如圖1(c)所示。
 

　　展示了微波頻段的仿真結(jié)果，可以看到，通過在電介質(zhì)平板表面引入合適的金屬微擾，就可以實(shí)現(xiàn)超模簡(jiǎn)并現(xiàn)象(ns=na=1.233)以及無窮大的耦合長(zhǎng)度(11.44 GHz時(shí)Lc→∞)。進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊(duì)在微波段利用氧化鋁芯層和銅微擾進(jìn)行了原理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，成功地證明了基于微擾工程設(shè)計(jì)的零間距波導(dǎo)系統(tǒng)的可行性，如圖3所示。
 

　　該物理機(jī)制完全可以拓展到光通訊波段，從而真正地改變光子芯片設(shè)計(jì)。研究表明，在一個(gè)典型的SOI波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上引入金屬(銀)微擾和適當(dāng)?shù)墓栉_，就可以在一個(gè)很寬的頻率范圍內(nèi)(1495-1565 nm)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立傳播硅波導(dǎo)陣列(Lc>1000λ0)，如圖4所示。其原理在于精密調(diào)控超模折射率ns與na的色散斜率，使得ns=na得以在一個(gè)寬帶頻率內(nèi)實(shí)現(xiàn)。這個(gè)覆蓋了光通信C波段與部分S波段的工作帶寬意味著這種新型波導(dǎo)具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。
 

　　該研究首次提出了基于微擾工程實(shí)現(xiàn)新型零間距光波導(dǎo)系統(tǒng)——間距為零卻相互獨(dú)立的光子通道陣列。這種物理機(jī)制既不同于傳統(tǒng)波導(dǎo)的全反射機(jī)制，也不同于光子晶體/超材料波導(dǎo)的帶隙/拓?fù)錂C(jī)制。由于不需要引入物理隔離，這種波導(dǎo)有望打破光子集成密度的瓶頸。需要指出，這種波導(dǎo)的電場(chǎng)分布主要集中于電介質(zhì)內(nèi)而非金屬微擾附近，因此損耗得以大幅降低，完全不同于傳統(tǒng)等離激元波導(dǎo)。在1.55微米的工作頻段上，數(shù)值仿真展示了該波導(dǎo)系統(tǒng)的傳播距離可以達(dá)到230個(gè)波長(zhǎng)。這種基于微擾調(diào)控零間距波導(dǎo)間耦合的新方法，為未來超高密度光子芯片的演進(jìn)開辟了全新的道路。
 

　　相關(guān)成果以“Zero-spacing Photonic Channels via Perturbation Engineering”為題，于2026年8月13日在線發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》(Phys. Rev. Lett. 137, 073802 (2026))。南京大學(xué)為論文第一單位。南京大學(xué)物理學(xué)院季文杰博士(現(xiàn)為蘇州城市學(xué)院講師)為論文第一作者。南京大學(xué)物理學(xué)院賴耘教授、彭茹雯教授、王牧教授，蘇州大學(xué)羅杰研究員為論文通訊作者。蘇州城市學(xué)院周蕭溪講師、南京大學(xué)宋彤彤博士也對(duì)此研究做出了貢獻(xiàn)。該工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金、蘇州市基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、江蘇省高校生物光子科技重點(diǎn)(建設(shè))實(shí)驗(yàn)室開放課題項(xiàng)目等資助。
 

　　引用：物理學(xué)院賴耘、彭茹雯、王牧教授與合作者基于微擾工程實(shí)現(xiàn)了零間距波導(dǎo)系統(tǒng)，打破了光子集成密度瓶頸-南京大學(xué)【引用時(shí)間：2026年8月21日】