为日常光子电路建造波导

从移动电话到电脑，我们每天使用的设备几乎都在使用电，通过它们的电路传输信息。然而，格罗宁根大学的理查德·希尔德纳博士认为，如果将许多现代技术与使用光的电路结合起来，它们的能力就会得到提高。通过观察光波通过专门设计的引导材料传播的特性，他的团队现在已经在这一目标上取得了重大进展。

为了让我们的现代文明平稳运行，工程师和研究人员必须设计出能够快速、可靠地将大量、连续的信息流传输到不同地点的系统。这些系统可以包含巨大的尺度范围;在高端，它们包括海底电缆，通过光导纤维将整个大陆连接到互联网上。在更小的范围内，在我们的日常生活中，电子设备使用电子在其组成电路的不同部分(包括处理器和存储器)之间交换信息。

根据Hildner博士的说法，后一种方法目前面临着一个普遍的问题:由于电子在导线中移动时必须产生热量，电子设备必须进行越来越复杂的热管理过程，以避免过热。这些过程需要能量，所以这些设备的能源效率会随着时间的推移而降低;这可能会反过来恶化他们的表现。目前，这种影响严重缩短了我们所依赖的许多技术的寿命;由于用户更换设备的频率越来越高，并且需要使用经常对环境造成破坏的制造过程来制造更多的设备，这将给用户带来巨大的成本。对Hildner博士和他的同事来说，这需要对现代技术中用于传输信息的电路进行根本性的改革。

有源波导的优点
光纤在远距离传输光方面非常出色，因为它们作为“波导”——这种材料的细长几何形状可以限制光只向一个方向传输，同时造成最小的信息损失。通过正确的方法，纳米结构波导也可以用于在更小的尺度上传输光。

然而，重要的是，只有特定频率或波长的光波才能在这些结构中传播。根据其尺寸的不同，特定的波导将有一系列被称为“模式”的离散频率值，在此模式下光可以自由传播。

在今天的许多研究中，波导为“光子电路”提供了一个重要的基础——类似于电路，但没有携带电子的导电导线。希尔德纳博士的研究小组特别关注“有源”波导，这种波导中包含的分子本身可以发出特定频率的光，并且可以根据波导允许的光传播模式进行调整。他解释说:“由于在有源波导中传输的光是直接在波导内部产生的，因此不需要外部光源，也不需要像现在的标准光纤那样用复杂的光学元件将光耦合到波导中。”最终，这些材料使物理学家能够构建紧凑的光子电路，与电子电路不同，光子电路在工作时不会升温。

波导为“光子电路”提供了重要的基础——类似于电路，但没有电子携带的导电导线。

发光波导的实验
在最近的实验中，Hildner博士和他的同事们研究了光是如何在形成有源波导的“有机单晶体”中传输的。这些单晶体是由有机分子组成的，这些有机分子自己组装成有序的，基本上没有缺陷的结构，具有独特的光学性质。这一特性特别有用，因为有机分子——包括所有含碳分子——是非常多用途的，可以显示各种形状、大小和性质。此外，有源有机波导的尺寸可以从几个纳米——只有几个分子;到微米——可能包含成百上千的分子。

也许最重要的是，用于构建这些波导的有机分子的类型可以被仔细选择，以调整它们发出的光的频率，确保它们发射成适当的模式在材料中传播。“由于这些分子是有源波导的一部分，它们发出的光在波导边界之间来回弹跳，很大程度上被限制在波导内，就像普通的无源光纤一样，”Hildner博士描述道。这些众多的优点现在已经通过理论计算得到了广泛的研究。然而，在实验中，直接测量光通过有源有机波导传播时所展开的物理过程要困难得多。

研究光传输
希尔德纳博士研究的关键是对有机有源波导的“折射率”有了更深入的了解——折射率是一个将光在材料内部的速度与它在真空中的速度联系起来的数字。就像玻璃等更典型的透明材料一样，这些更先进的材料的折射率随穿过它的光的波长而变化;换句话说，就是光的模式。这种变化可以通过所谓的“色散关系”来量化，色散关系可以通过使用激光迫使特定分子发光来测量。

在这些实验中，分子在与激光相互作用时首先被激发到更高的能级。然后，当分子放松回到它的原始能量状态时，它会发射一个光子到一个合适的频率模式。“为了测量色散关系，我们引入了一种新方法，利用自制的光学显微镜来检测从有源波导不同位置发出的光:首先，从波导靠近发射分子位置发出的光;第二，通过波导传输后离开的光。”Hildner博士解释道。尽管这两种光波来自同一地点，但到达同一台探测器的时间却不同。这种时间差的部分原因是波导相对于空气的折射率不同。

Hildner博士和他的同事研究了光是如何在基于有机单晶体的有源波导中传输的。

重建色散关系
因为光是一种横波——与海洋中发现的类似——它在传播过程中会显示出特有的波峰和波谷。当多个波合并在一起时，它们会以两种可能的方式相互“干涉”:如果波峰和波谷对齐，它们将“建设性”干涉;导致探测器上的整体信号更亮。另一种情况是，如果它们排列不正确，它们将“破坏性”干扰，结果将是原始两波之和发出的信号比预期的更暗。

在Hildner博士的实验中，如果两个出口点的位置变化得更大，那么每一个产生的光波的波峰和波谷会变得更不一致，进而增加破坏性的干涉。Hildner博士的团队在他们的实验中测量了不同程度的建设性和破坏性干涉，因此可以确定有机有源波导的折射率随通过它的不同模式的变化程度。

Hildner博士总结道:“例如，通过测量波长函数的干涉图样，我们可以直接重建有源波导的色散关系，并获得光在介质中传输的这个基本的重要关系。”通过进一步深入的分析，研究人员还考虑了波导晶体边缘的几何形状，以及其组成分子的方向等因素。他们对光如何在有源有机波导中传播的深入了解，对于我们理解这种有趣材料内部的复杂物理过程，是至关重要的一步。

现代电路转换
在对光波如何通过有源有机波导传播有了更深入的了解之后，Hildner博士的团队在研究如何在不久的将来将光波集成到更复杂的光子电路中，处于有利地位。如果成功，这些努力可能会导致设备在运行时不会过热，使它们比目前的电子设备运行时间更长。Hildner博士现在希望在未来的研究中进一步探索这种应用的可能性;潜在的创新可能改变许多技术的能力，这些技术现在是我们日常生活的重要方面。