Active Phase and Amplitude Modulation in Perovskite Polaritonic Waveguides
本文通过利用局部电热驱动诱导结构相变，展示了卤化物钙钛矿极化激元波导中的主动相位和振幅调制，实现了超越同类硅调制器的高效率调谐和强度切换。
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现代计算机依赖电力来移动信息，但移动数据最快且最高效的方式实际上是使用光。这一被称为光子学的领域旨在构建光束充当电线角色的电路，以极高的速度传输信息，且不会产生减慢电子芯片速度的热量。然而，虽然引导光通过被动路径很容易，但要让光根据指令改变其行为却非常困难。为了制造有用的光学计算机或先进传感器，工程师需要能够主动开启、关闭或改变光之时序的材料，且这一切都要在仅如一粒沙子大小的空间内完成。挑战在于寻找一种既能实现这种强力控制，又不会吸收过多光线或需要巨大功率的材料。
一组研究人员现在展示了一种利用一种特殊的晶体——卤化物钙钛矿（halide perovskite）来控制光的新方法。在发表于一项关于集成光子技术的研究中，他们利用这种材料制造了微小的通道（即波导），并展示了如何利用电来改变光在其间传播的方式。他们成功的关键在于一种被称为激子-极化激元（exciton-polaritons）的现象。当光进入这种特定的晶体时，它并不仅仅是在其中反弹；它会与材料内部的电子耦合，形成一种混合粒子。这种新粒子就像是光束与物质波的结合体，既继承了光的速度，又具备了与周围环境进行强相互作用的能力。通过用微小的电加热器加热晶体的一小部分，研究人员可以触发材料的结构变化。这种变化改变了混合粒子的能量，使得团队可以根据所选的光的颜色，来延迟光波或将其完全阻断。
他们制造的设备本质上是一个在钙钛矿薄膜中刻出的 Y 形通道。光进入其中一侧并分裂成两条路径。在其中一条路径旁边，研究人员放置了一个微型金属加热器。当他们向这个加热器通入微小的电流时，它会使钙钛能晶体升温，使其内部结构发生变化。这种材料在达到临界温度时会经历特定的转变，从一种晶体排列变为另一种。这种转变移动了光与物质相互作用最强的能量水平。由于在波导中传播的光对这一能量水平极其敏感，微小的热量变化会对光束产生剧烈的影响。
研究人员发现，只需通过选择输入的光的颜色（或能量），他们就能以两种截然不同的方式控制光。当使用低能量的光时，该设备表现为一个相位移器。在这种模式下，加热器并不会阻断光，而是通过减慢光速来改变其时序。他们测量到，大约 0.2 毫瓦的功率在 1 毫米的距离内，就足以使光波移动半个周期。这种效率比目前尺寸相似的硅基器件高出约十倍，因为硅基器件通常需要多得多的能量才能达到同样的结果。
当他们切换到能量稍高、接近材料自然共振频率的光时，设备的表现发生了变化。在这种状态下，光与晶体的电子相互作用更加强烈。当加热器开启时，这种强烈的相互作用导致了光的吸收，从而有效地关闭了信号。该设备表现为一个开关，每加热 1 微米的材料，光强就会降低 1 分贝。这意味着，仅需 20 毫瓦的功率，他们就能完全阻断通道一侧的光，同时保持另一侧不受影响。这种利用同一物理结构在改变光时序和开关光之间进行切换的能力，是向前迈出的重要一步。
这项研究证实，这些混合光-物质粒子可以在晶体内被引导进行长距离传播，在不消失的情况下传播超过 300 微米。这种长距离传播至关重要，因为它允许将诸如分路器和开关等多个组件放置在同一个微小的芯片上。研究人员还验证了加热具有高度局部性：温度上升严格限制在加热器旁边的通道臂，使相邻的另一侧完全不受影响。这种精度确保了该设备可以进行规模化扩展，以创建复杂的电路，使许多开关可以在彼此互不干扰的情况下并排运行。
通过证明钙钛矿晶体中简单的结构变化可以如此有效地控制光，这项工作为开发更紧凑、更节能的光学电路开辟了道路。研究人员表明，材料的响应并不局限于单一功能，而是可以通过调节光的能量来执行不同的任务。这种灵活性意味着未来的光学计算机可以使用比现有技术更小、更快且更通用的组件。这些发现提供了一个明确的概念验证，即激子材料可以作为下一代光子器件的核心，弥合高速数据处理需求与当前电子系统局限性之间的鸿沟。
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