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  最近，南京大學現(xiàn)代工學院胡偉教授、陸延青教授團隊通過合理預設(shè)液晶平面結(jié)構(gòu)取向，誘導液晶組裝實現(xiàn)特定的折射率平面分布，制備出均質(zhì)、各向異性的集成光子元件。基于溫度與入射偏振控制，實現(xiàn)了單個元件的功能調(diào)諧與開關(guān)。進一步結(jié)合電場、光場等外場的定點操控，有望實現(xiàn)片上分立元件的動態(tài)串并聯(lián)。該“軟”集成光子元件將為可編程集成光子芯片提供一種可行的解決方案。該成果以Liquid-crystal-mediated active waveguides toward programmable integrated optics為題，于2020年3月18日在線發(fā)表在《先進光學材料》上（Adv. Opt. Mater. 2020, 1902033）。

  現(xiàn)代光子技術(shù)不斷朝向小型化、集成化、多功能與自適應等方向發(fā)展。片上集成光子芯片在光信息處理、光通訊與傳感等領(lǐng)域發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。光波導是實現(xiàn)各類集成光子元件功能和彼此連接的基礎(chǔ)。其通過控制空間折射率分布實現(xiàn)電磁波的全內(nèi)反射來操控光的定向傳播。光波導通常經(jīng)由設(shè)定硅、二氧化硅、III-V族、鈮酸鋰和聚合物等材料的微結(jié)構(gòu)或摻雜分布來實現(xiàn)。傳統(tǒng)的集成光子芯片好比雕版印刷，功能元件與連接波導以固定的結(jié)構(gòu)和材料組成進行大批量的復制，因此芯片的組織架構(gòu)和功能都是固定的，一旦局部損壞，整個芯片的功能也被破壞。如能實現(xiàn)分立元件的動態(tài)波導連接，則可實現(xiàn)光子芯片的可編程控制（可類比于活字印刷術(shù)），按需進行芯片賦能，能夠大大提升芯片的安全性與可靠性。

  針對這一目標，該研究團隊利用光控取向技術(shù)進行液晶指向矢面內(nèi)分布的精確操控，以獲得預設(shè)的各向異性折射率空間分布，從而制備出一系列基于均質(zhì)液晶材料的漸變折射率波導元件。論文中展示了直形/U型波導、環(huán)形諧振腔等多種集成光子元件。基于液晶這類軟物質(zhì)的內(nèi)稟外場刺激響應特性，團隊還通過熱調(diào)控和入射偏振變化實現(xiàn)了波導功能的調(diào)諧與開關(guān)。上述設(shè)計同樣適用于光聚合液晶薄膜材料，這賦予該類液晶波導元件優(yōu)良的柔韌性。通過有選擇性的局部聚合，結(jié)合電場、光場等外場的定點操控，有望實現(xiàn)固定功能元件之間的動態(tài)波導連接，從而為未來可編程集成光子芯片提供一種可能的方案。

圖1a，液晶波導指向矢空間分布示意圖；b，溫度控制的液晶直波導開關(guān)；

c，彎曲波導與環(huán)形諧振腔中的光傳導；d，集成“軟”光子芯片。

  17級碩士生魏挺和陳鵬副研究員為該論文共同一作，胡偉教授和陸延青教授為本文通訊作者，唐明劼、吳光興、陳召憲、沈志雄、葛士軍副研究員和徐飛教授對本文有重要貢獻，姜校順教授給予了建設(shè)性意見。該研究由國家重點研發(fā)計劃、自然科學基金、省杰青等項目資助完成，同時獲得人工微結(jié)構(gòu)科學與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、南京大學十百千工程、中央高校基本科研業(yè)務費等平臺與項目的支持。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adom.201902033