在納米光子學系統中，極化激元提供了一種超越傳統光學衍射極限的手段，有助于高效能量存儲和局部場增強，從而促進超緊湊和高速光學器件的發展。然而，在目前常用的極化激元光子器件中，由于本征損耗的限制，傳輸的信號會迅速衰減，其功能化應用面臨巨大挑戰。
近年來，香港大學和國家納米科學中心科研人員密切合作，提出了一種“合成復頻波”的新技術，已成功應用于提高極化激元平板超透鏡成像質量。最近，他們進一步利用該技術實現了虛擬增益，并抵消了極化激元信息傳輸過程中的本征損耗，成功地恢復了無損傳輸的極化激元波導光子器件。這項研究成果已于1月8日在線發表在《自然-材料》雜志上。
論文通訊作者之一、香港大學教授張霜介紹：“為了克服納米光子學中光損耗的主要問題，我們提出了一種解決方法，通過數學上的多頻率組合的復頻波激發來實現虛擬增益，并抵消極化激元傳輸過程中的本征損耗。”
在最新研究論文中，具有負（正）虛部的復頻波會隨著時間的推移而衰減（放大）。然而，直接基于復頻波進行光學測量需要時域操作和復雜的時間選通測量，這使得實驗實施成為一項具有挑戰性的任務。研究人員利用傅立葉變換數學工具將截斷復頻波分解為具有不同真實頻率的多個分量，并通過在固定間隔的幾個真實頻率上進行光學測量，使得系統在復頻波下的光學響應的組合構建變得可行。
經過進一步的電磁理論和聲子極化激元實驗驗證，成功地恢復了氮化硼和氧化鉬聲子極化激元波導器件的無損傳輸和光學干涉性能，這證明了在納米光子器件中應用合成復頻波技術的優勢。對此，張霜指出：“合成復頻波技術是一項精巧且普適的技術，可以靈活地應用于不同的光子系統，為提高多頻段光學性能以及設計高密度集成光子器件等方向開辟了一條新的發展道路。”
香港大學博士后管福鑫、國家納米科學中心特別研究助理郭相東和國家納米科學中心博士生張姝為本文共同一作。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-023-01787-8
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