于笑瀟1，王兵2，吳根1，陳卓敏3

　　(1.科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心;2.西安交通大學(xué);3.復(fù)旦大學(xué))

　　人工帶隙材料有許多奇特的調(diào)控效應(yīng)，其基礎(chǔ)和應(yīng)用研究受到各國(guó)政府、軍方、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)以及產(chǎn)業(yè)界的高度重視。本報(bào)告對(duì)光子人工帶隙材料領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展和趨勢(shì)進(jìn)行了梳理分析，并提出了我國(guó)進(jìn)一步發(fā)展重點(diǎn)和對(duì)策建議。

　　一、關(guān)于人工帶隙材料

　　1. 定義與內(nèi)涵

　　人工帶隙材料是指由亞單元結(jié)構(gòu)周期排列而成，具有新奇的光學(xué)和電磁響應(yīng)特性的一類(lèi)新型量子材料。

　　光子在人工帶隙材料中的運(yùn)動(dòng)類(lèi)似于電子在凝聚態(tài)物質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)，可以通過(guò)對(duì)光子能帶的設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)和操控光子運(yùn)動(dòng)的目的。

　　2. 研究意義

　　由于光子人工帶隙材料具有許多奇特的調(diào)控效應(yīng)，因此在新型電磁材料、集成光子學(xué)、微納光子學(xué)、國(guó)防科技等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。這方面的研究不僅對(duì)推動(dòng)我國(guó)基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展有重要科學(xué)意義，而且對(duì)高新技術(shù)的突破具有戰(zhàn)略意義。

　　光子人工帶隙材料的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究受到各國(guó)政府、軍方、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)以及產(chǎn)業(yè)界的高度重視。美國(guó)等西方國(guó)家對(duì)光子微結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究給予大規(guī)模持續(xù)支持。密歇根大學(xué)Theodore Norris教授牽頭的項(xiàng)目“CEMRI for Photonic and Multiscale Nanomaterials”研究總投入約1000萬(wàn)美元。加州大學(xué)伯克利分校張翔教授近年來(lái)連續(xù)承擔(dān)了7個(gè)美國(guó)國(guó)防部資助的人工帶隙項(xiàng)目，這些項(xiàng)目的資助強(qiáng)度和研究運(yùn)行模式與量子調(diào)控項(xiàng)目類(lèi)似。

　　二、世界發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

　　國(guó)際范圍內(nèi)光子人工帶隙材料研究的新成果主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

　　1. 光子帶隙調(diào)控新機(jī)理和新現(xiàn)象

　　近年來(lái)，有關(guān)光子帶隙調(diào)控新機(jī)理和新現(xiàn)象的研究非?；钴S。例如，光子石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)中狄拉克點(diǎn)附近的“能谷”依賴(lài)贗自旋特性、光子Landau能級(jí)等現(xiàn)象。利用光子微結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)光子“能帶反轉(zhuǎn)”及光子拓?fù)浣^緣體，進(jìn)而觀測(cè)到與光子拓?fù)湫韵嚓P(guān)的光子邊緣態(tài)和光子自旋霍爾效應(yīng)等。拓?fù)湫詾椴倏毓庾拥倪\(yùn)動(dòng)提供了一個(gè)新的自由度。還有帶隙調(diào)控機(jī)制，如遠(yuǎn)場(chǎng)交換與近場(chǎng)耦合雜化機(jī)制所導(dǎo)致的深亞波長(zhǎng)效應(yīng)、等頻率面拓?fù)滢D(zhuǎn)變誘導(dǎo)的調(diào)控現(xiàn)象、微結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的人造磁場(chǎng)和規(guī)范勢(shì)，及其相關(guān)光磁效應(yīng)等。

　　基于光子晶體的光子器件和光子集成取得長(zhǎng)足進(jìn)展，特別是有源器件方面，日本Noda小組成功制備全硅的拉曼微納激光器、品質(zhì)因子達(dá)9百萬(wàn)的微腔、瓦級(jí)光子晶體激光器。日本Notomi小組制備出最低閾值的光子晶體激光器，實(shí)現(xiàn)了超低能耗的數(shù)據(jù)傳輸;在光子晶體芯片上成功實(shí)現(xiàn)了大于100比特的全光存儲(chǔ);在光子晶體耦合腔體系中成功實(shí)現(xiàn)了單光子存儲(chǔ)，存儲(chǔ)時(shí)間達(dá)150皮秒;在硅光子晶體平臺(tái)上，通過(guò)半導(dǎo)體納米線，成功實(shí)現(xiàn)了可移動(dòng)的高品質(zhì)微腔。

　　由于對(duì)光具有更強(qiáng)的局域效果，三維光子晶體波導(dǎo)、微腔成為未來(lái)的發(fā)展方向。光子晶體在光電耦合、熱輻射調(diào)控、增強(qiáng)太陽(yáng)能電池的發(fā)射效率等方面也有著重要的應(yīng)用。近期相關(guān)研究揭示了光子晶體具有拓?fù)涮匦?，發(fā)現(xiàn)了光子拓?fù)浣^緣體、三維Dirac光子晶體、光子邊緣態(tài)等的存在，以及光子輸運(yùn)表現(xiàn)出的奇特特性。利用光子微結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生糾纏光子、調(diào)控光子的傳播及實(shí)現(xiàn)集成的光量子芯片，成為重要的研究方向。

　　2. 亞波長(zhǎng)光子微結(jié)構(gòu)和表面等離激元研究

　　利用亞波長(zhǎng)光子微結(jié)構(gòu)和表面等離激元實(shí)現(xiàn)對(duì)光的任意調(diào)控，是近年來(lái)人工電磁超材料的重要發(fā)展方向和研究熱點(diǎn)之一。

　　利用電介質(zhì)超薄二維平面陣列，修正傳統(tǒng)的斯涅耳定律，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波波前相位、偏振、傳播模式等特性進(jìn)行有效調(diào)控。利用石墨烯和等離子天線構(gòu)成三明治結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光電探測(cè)器，通過(guò)電壓動(dòng)態(tài)控制光電流，可實(shí)現(xiàn)光子微結(jié)構(gòu)光學(xué)性質(zhì)的動(dòng)態(tài)調(diào)控。運(yùn)用這種技術(shù)可以對(duì)微結(jié)構(gòu)每個(gè)單元的相位、偏振和振幅進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，形成多種形式的相位、偏振和振幅調(diào)節(jié)方案。設(shè)計(jì)超薄零折射率光子微結(jié)構(gòu)，突破了非線性光學(xué)諧波產(chǎn)生的相位匹配條件，提高非線性諧波生成效率。總之，利用亞波長(zhǎng)光子微結(jié)構(gòu)和表面等離激元對(duì)光的偏振、振幅、相位等多個(gè)維度的自由調(diào)控，是目前非常活躍的研究領(lǐng)域。

　　利用光子能帶調(diào)控效應(yīng)，改善半導(dǎo)體激光器性能的研究，正在引起人們的關(guān)注。如利用光子晶體的帶隙在波長(zhǎng)尺度強(qiáng)烈局域光子，增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用，提高自發(fā)輻射因子，實(shí)現(xiàn)低閾值微腔激光器，用于片上光互連等。光子晶體能帶帶邊的高對(duì)稱(chēng)點(diǎn)具有低群速度特性，能夠形成橫向大面積振蕩，實(shí)現(xiàn)單模、高光束質(zhì)量、大功率面發(fā)射激光輸出。引入光子晶體調(diào)控邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的模式振蕩，提高了邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量和腔面災(zāi)變損傷閾值。

　　3. 基于光子帶隙人工微結(jié)構(gòu)材料的新器件研制

　　由于人工帶隙材料所呈現(xiàn)出的奇異行為，如何在此基礎(chǔ)上研制各種波段(從微波到可見(jiàn)光)的新器件引起人們極大興趣。將人工帶隙材料應(yīng)用于新型天線就是一個(gè)典型的例子。人工帶隙材料的引入可使得天線的設(shè)計(jì)自由度大大增加，帶來(lái)一些傳統(tǒng)材料所不具備的特性。目前有應(yīng)用前景的有人工磁表面低高度平面天線，零相移環(huán)形天線，零折射率高增益天線，復(fù)合左右手材料傳輸線/漏波天線，超材料低互耦MIMO天線等。

　　由于人工帶隙材料存在帶寬窄、損耗高、體積大、成本高等原因，在工業(yè)界的大范圍應(yīng)用還有許多困難。如何研制出真正實(shí)用的新器件，是光子人工帶隙材料領(lǐng)域面臨的巨大挑戰(zhàn)。

　　三、我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀與水平

　　我國(guó)科研機(jī)構(gòu)對(duì)光子人工帶隙材料的研究非常重視。從“十一五”到“十二五”的十年期間，圍繞光子帶隙調(diào)控及新現(xiàn)象、新效應(yīng)，科技部量子調(diào)控重大研究計(jì)劃展開(kāi)研究布局，啟動(dòng)了一批相關(guān)項(xiàng)目。在這些項(xiàng)目的支持下，國(guó)內(nèi)在光子人工帶隙材料領(lǐng)域取得了若干重要研究成果，在一些重要方向處于國(guó)際領(lǐng)先地位。

　　在光子微結(jié)構(gòu)和集成回路的制備與表征方面，中科院物理所、半導(dǎo)體所、上海光機(jī)所、南開(kāi)大學(xué)、北京大學(xué)、中山大學(xué)等研究組，發(fā)展各種實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)，制備出具有高品質(zhì)因子、局域場(chǎng)增強(qiáng)、頻率可調(diào)的光子晶體微結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上對(duì)相關(guān)調(diào)控效應(yīng)展開(kāi)研究。物理所在硅基二維平板光子晶體上，研制了基于光子晶體異質(zhì)結(jié)的線性、無(wú)源、被動(dòng)、超小型的全光二極管及隔離器;半導(dǎo)體所設(shè)計(jì)和研制了光泵和電泵1550nm波段，超快耦合腔光子晶體激光器，用光泵超快耦合腔激光器，實(shí)現(xiàn)室溫光泵激射;南開(kāi)大學(xué)提出少層超表面的概念，實(shí)現(xiàn)了寬帶、高效和偏振可控的近完美異常折射，產(chǎn)生了各種微區(qū)矢量光束。

　　在調(diào)控機(jī)理與新現(xiàn)象、新效應(yīng)研究方面，南京大學(xué)研究組利用非線性人工微結(jié)構(gòu)，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了多通道雙光子糾纏調(diào)控，利用漸變?nèi)斯の⒔Y(jié)構(gòu)調(diào)控表面等離激元實(shí)現(xiàn)奇異光傳播現(xiàn)象;同濟(jì)大學(xué)研究組構(gòu)建了手征光子晶體的能帶理論框架，并在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了負(fù)折射現(xiàn)象和寬帶偏振調(diào)控效應(yīng);南開(kāi)大學(xué)研究組應(yīng)用復(fù)合超材料、雜化超材料和石墨烯超材料，實(shí)現(xiàn)了完美吸收、表面等離激元誘導(dǎo)透明、偏振近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)調(diào)控、非對(duì)易透射等;復(fù)旦大學(xué)研究組針對(duì)honeycomb結(jié)構(gòu)二維磁性光子晶體，發(fā)現(xiàn)zigzag邊的電磁邊緣態(tài)，因其頻率處在光椎之外，具有自傳播特性。

　　在基于光子微結(jié)構(gòu)的量子現(xiàn)象及特殊物理現(xiàn)象模擬方面，南京大學(xué)研究組利用PT-對(duì)稱(chēng)性破缺原理，制備出單向傳輸?shù)墓杌庾有酒诠庾游⒔Y(jié)構(gòu)芯片上，模擬了黑洞和引力透鏡現(xiàn)象;復(fù)旦大學(xué)研究組首次發(fā)現(xiàn)非晶金剛石結(jié)構(gòu)中的贗帶隙結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)虹彩非晶光子晶體結(jié)構(gòu)色材料的人工制備;同濟(jì)大學(xué)研究組利用只含損耗的宇稱(chēng)-時(shí)間對(duì)稱(chēng)特異材料，實(shí)現(xiàn)了相干完美吸收現(xiàn)象，利用平臺(tái)模擬了凝聚態(tài)和原子光學(xué)系統(tǒng)的奇異量子現(xiàn)象，如光子拓?fù)浼ぐl(fā)態(tài)、光子狄拉克點(diǎn)附近的幾何相位，以及谷物理帶來(lái)的光子贗磁場(chǎng)和分光效應(yīng)等。

　　在國(guó)防高技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用研究方面，中科院半導(dǎo)體所研究組基于光子晶體帶隙調(diào)控原理，研制了用于高速攝影系統(tǒng)的激光器;復(fù)旦大學(xué)研究組基于人工微結(jié)構(gòu)材料的特殊調(diào)控原理，研制了具有超大空間掃描角度天線陣列;同濟(jì)大學(xué)研究組基于人工微結(jié)構(gòu)材料的電磁隧穿現(xiàn)象，研制了空間飛行器新型天線罩;同濟(jì)大學(xué)研究組基于人工微結(jié)構(gòu)閃爍材料，研制了新型高能輻射探測(cè)器。

　　四、我國(guó)進(jìn)一步研究重點(diǎn)與對(duì)策建議

　　1. 研究重點(diǎn)

　　對(duì)比國(guó)外研究，我國(guó)在光子微結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵研究方向上均有布局，取得了一批有特色的基礎(chǔ)研究成果，形成了一支活躍在國(guó)際前沿領(lǐng)域的研究隊(duì)伍，若干基礎(chǔ)研究成果為我國(guó)國(guó)防重大需求提供了新原理支撐，為我國(guó)率先將光子微結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)研究成果迅速應(yīng)用到國(guó)防高技術(shù)領(lǐng)域提供了機(jī)遇。建議進(jìn)一步研究重點(diǎn)如下：

　　在能帶和帶隙調(diào)控研究方面，希望能加強(qiáng)人工帶隙的理論基礎(chǔ)，探索新的帶隙材料和新機(jī)理。建議在以下方面加強(qiáng)研究：具有深亞波長(zhǎng)特征的特殊光子帶隙;輻射場(chǎng)干涉機(jī)制誘導(dǎo)的特殊光子束縛態(tài)及其對(duì)光子輸運(yùn)行為的影響;等頻率面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變誘導(dǎo)的新奇現(xiàn)象及其在外場(chǎng)調(diào)控下的演化規(guī)律;介觀光子系統(tǒng)特殊的拓?fù)湫再|(zhì)和其產(chǎn)生的新穎光學(xué)效應(yīng);探索磁性材料及其微結(jié)構(gòu)中自旋波量子與高品質(zhì)因子微波腔的強(qiáng)耦合，為調(diào)控自旋波量子提供新的方法與技術(shù);探索超導(dǎo)微納結(jié)構(gòu)的宏觀量子態(tài)與高品質(zhì)因子微波腔的強(qiáng)耦合。

　　在光子集成及量子芯片研究方面，希望能在量子器件的集成方法和集成度達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，構(gòu)筑可片上集成的新型光子器件。建議在以下方面加強(qiáng)研究：混合量子芯片，在微納結(jié)構(gòu)光子芯片上實(shí)現(xiàn)量子光源、量子存儲(chǔ)、光電調(diào)控和量子檢測(cè)的集成，實(shí)現(xiàn)量子行走與量子搜索、量子模擬、量子傳感、中小規(guī)模量子計(jì)算等應(yīng)用;時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性破缺結(jié)構(gòu)等對(duì)量子態(tài)的演化和傳輸?shù)挠绊?探索量子相干性、量子關(guān)聯(lián)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的演化;基于微納結(jié)構(gòu)光子芯片，模擬諸如布洛赫振蕩、無(wú)質(zhì)量狄拉克費(fèi)米子等凝聚態(tài)物理過(guò)程，并將相關(guān)規(guī)律拓展應(yīng)用于與量子行走和量子搜索相關(guān)的量子算法中;揭示表面等離激元在量子態(tài)的保持、傳輸和邏輯功能特性的實(shí)現(xiàn)等方面的影響，發(fā)展介觀尺度光子學(xué);探索納米尺度下表面等離激元的量子特征及其在高靈敏度信息檢測(cè)的潛在應(yīng)用。

　　在表面等離激元和亞波長(zhǎng)光子結(jié)構(gòu)研究方面，希望探索新型單光子源，發(fā)展高信息通量的成像與顯示技術(shù)和高性能超快納微光子器件。建議在以下方面加強(qiáng)研究：新型亞波長(zhǎng)微納結(jié)構(gòu)與光子、表面等離激元和相關(guān)元激發(fā)的相互作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)光子和相關(guān)元激發(fā)能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)控;探索亞波長(zhǎng)人工微納結(jié)構(gòu)中光電轉(zhuǎn)換、光熱轉(zhuǎn)換等新規(guī)律和新原理;發(fā)展新型超構(gòu)材料和超構(gòu)表面，為發(fā)展高分辨的光聚焦與成像、光發(fā)射與吸收、光路由與波分復(fù)用等材料和技術(shù)提供新原理。

　　2. 對(duì)策建議

　　量子調(diào)控計(jì)劃的重要戰(zhàn)略目標(biāo)是為國(guó)家未來(lái)高技術(shù)跨越式發(fā)展提供新原理支撐。從量子調(diào)控計(jì)劃項(xiàng)目的總體布局上分析，人工帶隙材料研究是實(shí)現(xiàn)該戰(zhàn)略目標(biāo)的潛在方向之一。建議十三五期間在項(xiàng)目的頂層設(shè)計(jì)上，引導(dǎo)相關(guān)有基礎(chǔ)的研究單位和研究團(tuán)隊(duì)，將人工帶隙材料基礎(chǔ)研究與國(guó)家重大戰(zhàn)略需求結(jié)合。

　　與國(guó)際先進(jìn)水平相比，我國(guó)在半導(dǎo)體量子系統(tǒng)的生長(zhǎng)、III-V族半導(dǎo)體微腔的微納加工和制備、量子系統(tǒng)的精確定位技術(shù)、表面等離激元金屬微納結(jié)構(gòu)納米級(jí)水平的精確可控生長(zhǎng)和制備等方面還存在一定的差距，有必要強(qiáng)化對(duì)這些研究方向的支持。建議加強(qiáng)人工帶隙材料制備與表征平臺(tái)的建設(shè)，建立和完善平臺(tái)運(yùn)行和管理政策。

　　我國(guó)在凝聚態(tài)系統(tǒng)新奇量子現(xiàn)象，特別是新奇電子量子態(tài)基礎(chǔ)研究方面在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位。將新奇電子態(tài)延拓到新奇光子態(tài)是人工帶隙材料研究的大趨勢(shì)之一。建議頂層設(shè)計(jì)上，引導(dǎo)人工帶隙材料研究與凝聚態(tài)新物理研究的交叉結(jié)合。

　　本報(bào)告為科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目“重點(diǎn)科技領(lǐng)域發(fā)展熱點(diǎn)跟蹤研究”(編號(hào)：ZLY2015072)研究成果之一。

　　本文特約編輯：姜念云