澳大利亚国立大学与德国、新加坡的联合研究团队近日成功实现利用纳米结构的介电超表面来控制光的传输，能够通过从正面或背面照射超表面来生成不同的图像。研究人员表示，他们的研究依赖于红外光到光辐射的非线性转换，有望通过光学器件达到与集成电子芯片相同的效果。
尽管光的非对称控制已经在电子通信和高功率激光等领域实现了应用，但其工作设备光隔离器体积较大且价格昂贵。虽然通过与光子芯片上的波导耦合的微谐振器也可以减小光的非对称控制所需的器件尺寸。然而，即使是后者也要依赖于比入射光波长大好几倍的微结构，这对于光学器件的集成是个很大的挑战。
在最新的研究中，团队展示了如何使用嵌入玻璃中的亚波长尺度介电圆柱形谐振器的平面阵列来实现对光的非对称控制。每个圆柱体的直径只有几百纳米，由非晶硅和氮化硅两个不同材料组成。这两种材料之间的折射率差异以及谐振器的尺寸决定了入射光如何被操纵。
当器件被共振波长的光照射时，纳米柱的光学响应主要由电偶极子和磁偶极子（高阶多极子的贡献相对较小）支配。这导致了一个非常简单的结果——当照明来自正面时，磁偶极子被增强而电偶极子被抑制。当光线从后面射进来时，这两种反应恰好相反。
图1 研究人员设计了一种纳米结构的介电超表面来控制光的传输，从正面能够看到一个图像，背面能够看到另一个图像
为了利用这种不对称性进行光传输，研究人员用红外波长的强激光照射该结构，并利用三次谐波（一个非线性过程，光束中的三个光子组合在一起，产生一个频率为原频率三倍的单个光子）产生可见光。在这一过程中，由于磁偶极子效率远高于电偶极子，因此当红外输入为正向时，能够实现更亮的可见光输出。
在实验过程中，研究人员使用了电子束光刻制造平面阵列。他们用波长大约 1475 nm 的强光照射一个直径超过 200 nm均匀的圆柱阵列，证实了前向的可见光输出比后向的要大很多倍。相反，当用强度相比较低的光照射相同的材料，由于无法引发非线性响应，这种反差几乎完全消失。
随后，研究人员着手设计了一系列结构更为复杂的超表面，其中包括四种纳米圆柱的不同排列。为了便于制造，这四种纳米圆柱都具有相同厚度的硅和氮化硅层。但是它们形状不同：其中三种是不同大小的椭圆横截面，另一种是圆形横截面。这就产生了四种截然不同的互补输出——一种只在正向传输可见辐射，一种只在反向传输，一种在两个方向上的传输几乎相等，而另一种(圆形截面)在两个方向上都不传输。
Kivshar 及其同事利用这些纳米圆柱制造了三个超表面，这些超表面生成了越来越复杂且独特的图像。第一种仅使用两种类型的圆柱体，当从前面照射时，显示一个黑色圆圈中的明亮正方形；当从后面照射时，显示一个明亮圆圈中的黑色正方形。第二种显示了明暗条纹或棋盘图案。而最后一种显示了澳大利亚的轮廓或悉尼歌剧院的风格化版本。同样，超表面显示何种图案都取决于照明的方向。
图2 研究团队使用四种不同形状的介电纳米圆柱体制造超表面，从正面和背面观察时会产生不同的图像。左：由一组四个谐振器组装而成的超表面布局的电子显微镜图像。右：实验设计（左栏）和相应的结果（右栏）。
研究人员认为，他们的发现“为超越线性光学限制的新型纳米光子元件铺平了道路。”他们意图对幅度、相位和偏振等多个电磁参数进行非对称控制，从而使其产生非对称的纠缠光子态，这有望在纳米级片上实现类似于电子二极管的光子器件，即光学隔离器。
然而，要想实现这个目标，仍旧有许多障碍需要解决。除了重新设计谐振器以消除图像中不必要的串扰外，超表面的效率还需要提高。实验表明，这些设备能传输的功率比他们计算预期要少一个数量级，大约只有输入激光的百万分之一。要想解决该问题，其中一个选择是完全取消波长转换并采用所谓的非线性自作用。因此，研究团队将目光转向了德国帕德博恩大学的Sergey Kruk 所描述的“几种有前途的材料”。