近日，南京大学季文杰博士（现为苏州城市学院讲师）、赖耘教授、彭茹雯教授、王牧教授联合苏州大学罗杰研究员的合作研究团队，通过在介质平板表面进行微扰工程设计，成功地在介质平板内实现了零间距、无物理隔离的多条独立波导，为实现超高密度光子集成和波导耦合调控提供了全新的思路。
传统光波导基于全反射原理，为了将光束缚在光通道内，并抑制相邻波导间的倏逝波耦合（即串扰），通常需要在通道间设置波长量级的低折射率隔离层（包层）。包层无法传播光，因此浪费了大量空间。这种空间隔离也从根本上限制了光子芯片集成密度的进一步提升。如何降低这种隔离层厚度，进一步提升集成度成为了近年来光子芯片领域的热点课题。2022年，南京大学赖耘教授、彭茹雯教授、王牧教授、宋彤彤博士、褚宏晨博士、苏州大学罗杰研究员等基于光子晶体/超构材料首次实现了零间距波导系统，发表于《物理评论X》(Phys. Rev. X 12, 011053 (2022))，并获得了国际物理媒体《物理》和《今日物理》的专题报道(Physics 15, 39 (2022),Physics Today 75, 20 (2022))。这个突破性的发现引起了学术界的广泛兴趣和深入研究拓展(ACS Photonics 11, 2422 (2024)，Laser & Photonics Reviews 19, 2402117 (2025)，Nature 656, 73 (2026))。然而，至今为止，大面积光子晶体/超构材料的加工制备面临着严重挑战，给零间距波导系统的实际落地造成了障碍。因此，如何简化设计，在均匀电介质系统实现零间距、低串扰的光波导通道，是实现超高密度光子集成的关键。
图1.（a）基于金属微扰的波导模调控机制示意图。（b）光在电介质平板内传输时的发散现象。（c）将金属微扰周期性排列在电介质板上下表面实现零间距光子通道。
研究团队利用微扰工程调控光波导对称与反对称超模的物理机制，通过在电介质平板表面引入金属微扰，在无物理隔离、零间距的条件下实现了对光信号的有效隔离，构建了一种新型零间距光波导。图1展示了基于微扰工程实现零间距波导系统的原理。图1（a）展示了一个普通电介质平板的对称超模(symmetric supermode)和反对称超模(anti-symmetric supermode)的电场分布图，而且它们的折射率具有较大差别(ns?na)。如果把电介质平板看成两根并列且零间距的波导，ns?na导致了这两根波导之间具有强烈的耦合(耦合长度Lc=λ02ns-na)。图b展示了光在电介质平板内传输时耦合导致的发散现象。研究表明，结合微扰理论，通过在介质表面中心引入深亚波长尺寸（约λ0/25）的金属微扰（如图1（a）右图所示），能够选择性地改变对称超模的有效折射率，同时使反对称超模的折射率几乎保持不变，从而实现了超模简并，即ns=na。这会导致耦合长度趋近于无穷大（即零串扰），即Lc=λ02ns-na→∞，使得光场被完美局域在单个通道内。因此，如果在一个电介质平板上制造出一排金属微扰，完全可以实现一系列零间距的独立平行波导阵列，正如图1（c）所示。
图2. （a）波导模型截面示意图。（b）引入微扰前后的波导模场分布。（c）引入金属微扰后，对称模有效折射率（ns）显著降低，并与反对称模有效折射率（na）曲线存在交点（零串扰点）。（d）归一化耦合长度。
图2展示了微波频段的仿真结果，可以看到，通过在电介质平板表面引入合适的金属微扰，就可以实现超模简并现象（ns=na=1.233）以及无穷大的耦合长度（11.44 GHz时Lc→∞）。进一步地，研究团队在微波段利用氧化铝芯层和铜微扰进行了原理性实验验证，成功地证明了基于微扰工程设计的零间距波导系统的可行性，如图3所示。
图3. （a）仿真与理论计算透射率。（b）微波实验装置。（c）仿真与实验电场分布图。（d）输出端两通道仿真与实验电场分布对比。
该物理机制完全可以拓展到光通讯波段，从而真正地改变光子芯片设计。研究表明，在一个典型的SOI波导结构上引入金属（银）微扰和适当的硅微扰，就可以在一个很宽的频率范围内（1495-1565 nm）实现独立传播硅波导阵列（Lc>1000λ0），如图4所示。其原理在于精密调控超模折射率ns与na的色散斜率，使得ns=na得以在一个宽带频率内实现。这个覆盖了光通信C波段与部分S波段的工作带宽意味着这种新型波导具有巨大的潜在应用价值。
图4. （a）宽带零间距光波导截面示意图。（b）低串扰工作带宽随硅微扰参数的变化。（c）引入硅微扰前后对称与反对称超模有效折射率的变化曲线。（d）不同情况下的耦合长度。（e）五通道波导阵列仿真透射率（波导模从中间通道入射）。
该研究首次提出了基于微扰工程实现新型零间距光波导系统——间距为零却相互独立的光子通道阵列。这种物理机制既不同于传统波导的全反射机制，也不同于光子晶体/超材料波导的带隙/拓扑机制。由于不需要引入物理隔离，这种波导有望打破光子集成密度的瓶颈。需要指出，这种波导的电场分布主要集中于电介质内而非金属微扰附近，因此损耗得以大幅降低，完全不同于传统等离激元波导。在1.55微米的工作频段上，数值仿真展示了该波导系统的传播距离可以达到230个波长。这种基于微扰调控零间距波导间耦合的新方法，为未来超高密度光子芯片的演进开辟了全新的道路。
相关成果以“Zero-spacing Photonic Channels via Perturbation Engineering”为题，于2026年8月13日在线发表于《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett. 137, 073802 (2026))。南京大学为论文第一单位。南京大学物理学院季文杰博士（现为苏州城市学院讲师）为论文第一作者。南京大学物理学院赖耘教授、彭茹雯教授、王牧教授，苏州大学罗杰研究员为论文通讯作者。苏州城市学院周萧溪讲师、南京大学宋彤彤博士也对此研究做出了贡献。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、苏州市基础研究项目、江苏省高校生物光子科技重点（建设）实验室开放课题项目等资助。
引用：Wenjie Ji, Xiaoxi Zhou, Tongtong Song, Jie Luo, Ruwen Peng, Mu Wang and Yun Lai, Phys. Rev. Lett. 137, 073802 (2026)
链接： https://doi.org/10.1103/3q3v-hw8n