清華新聞網(wǎng)10月8日電 近期，清華大學(xué)電子工程系李越副教授課題組提出了基于電磁波傳輸?shù)墓鈱W(xué)摻雜方法（圖（a）），顯著提升了超耦合效應(yīng)的能量傳輸效率，實現(xiàn)了任意結(jié)構(gòu)、任意尺寸的低損耗超耦合結(jié)構(gòu)，在微波、毫米波和太赫茲的電路和芯片中存在潛在應(yīng)用價值。
傳輸型光學(xué)摻雜的概念及應(yīng)用：（a）基本概念，（b）降低對材料損耗敏感性的機理，（c）超耦合傳輸線示意圖，（d）實驗測試結(jié)果
近零介電常數(shù)（Epsilon-near-zero，ENZ）媒質(zhì)是一類介電常數(shù)趨于零的特殊電磁媒質(zhì)，呈現(xiàn)諸多奇特的電磁效應(yīng)。其中，超耦合效應(yīng)最有工程應(yīng)用前景。對于理想的超耦合效應(yīng)，電磁波可以無反射、無損耗、零相移地通過任意形狀、任意尺寸的ENZ媒質(zhì)通道，可實現(xiàn)具有良好傳輸性能的柔性微波傳輸線，特別在毫米波、太赫茲等高頻段具有性能優(yōu)勢，適用于芯片與集成電路領(lǐng)域的應(yīng)用。然而，由于ENZ媒質(zhì)中的波阻抗趨于無窮，理想的超耦合需要無限窄的通道寬度，在實際應(yīng)用中有極大的局限性。
2017年，美國賓夕法尼亞大學(xué)電氣與系統(tǒng)工程系納德·恩赫塔（Nader Engheta）教授和李越副教授在《科學(xué)》（Science）上合作發(fā)表論文，首次提出ENZ媒質(zhì)中光學(xué)摻雜概念，通過在ENZ媒質(zhì)中集成介質(zhì)結(jié)構(gòu)，在亞波長尺度對ENZ媒質(zhì)的阻抗特性進(jìn)行任意調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了ENZ媒質(zhì)與任意傳輸線的阻抗匹配。李越副教授團(tuán)隊在2019年的《自然·通訊》（Nature Communications）研究工作中進(jìn)一步將光學(xué)摻雜概念用于超耦合效應(yīng)的研究，但是該光學(xué)摻雜模式基于摻雜材料的電磁諧振，具有較大的諧振損耗，導(dǎo)致超耦合傳輸效率低于60%，仍有較大的應(yīng)用局限性。
以提升超耦合效應(yīng)的傳輸效率為目標(biāo)，該研究工作提出了一種基于電磁波傳輸?shù)墓鈱W(xué)摻雜方法，有效地降低了現(xiàn)有的傳統(tǒng)光學(xué)摻雜方式的諧振損耗（圖（b）），實現(xiàn)了高效率的超耦合傳輸。實驗顯示，基于傳輸型光學(xué)摻雜的超耦合結(jié)構(gòu)，傳輸效率可達(dá)80%。為與典型集成電路工藝相結(jié)合，該論文提出了適合平面集成的超耦合結(jié)構(gòu)，可以任意彎折和形變（圖（c））。通過實驗驗證，觀測到了高傳輸效率的超耦合效應(yīng)（圖（d）），與解析理論相吻合。
該研究成果近日以“面向高效率近零介電常數(shù)超耦合的傳輸型光學(xué)摻雜”（Transmission-type photonic doping for high-efficiency epsilon-near-zerosupercoupling）為題發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）。
該論文的理論和實驗工作均在清華大學(xué)完成，清華大學(xué)電子工程系為論文的第一單位。電子工程系博士生閆雯荻和周子恒（已畢業(yè)，現(xiàn)為福州大學(xué)副教授）為論文的共同第一作者，李越副教授為論文的通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金項目、國家重點研發(fā)計劃項目和北京信息科學(xué)與技術(shù)國家研究中心的資助。
論文連接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-41965-5
供稿：電子系
題圖設(shè)計：韓羽臻
編輯：李華山
審核：郭玲
