2026年9月3日——哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的新研究为电信、量子通信及其他光子技术领域更小、更高效的元器件铺平了道路。

这项研究来自Federico Capasso教授的实验室。Capasso教授是应用物理学Robert L. Wallace讲席教授兼Vinton Hayes高级研究员（电气工程方向）。该研究将层状工程半导体材料与称为超表面的特殊纳米结构器件相结合，创造出一种独特的半导体器件，展现出极强的混频和变换不同颜色光的能力，包括存在于光纤网络中具有技术价值的近红外波段。

这项研究由哈佛SEAS、德克萨斯大学奥斯汀分校和加利福尼亚大学尔湾分校合作完成，成果发表在《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）上。

无论是教室里的激光笔、生物医学传感器，还是量子计算机，当今许多光学器件都依赖于一个基本过程——非线性频率转换。当高强度激光束通过特殊材料时，这一过程会产生新的频率或颜色的光。通常，这些材料是铌酸锂或砷化镓等晶体，其特定的原子结构天然能够实现这些变色过程。

因此，当今光学器件受限于传统晶体的固有特性，难以制造紧凑、可扩展的光子器件，也阻碍了许多技术进步——从用于GPS追踪的芯片级原子钟，到超快光纤通信。

这项新工作弥合了材料设计与器件设计之间的鸿沟。研究团队不是被动接受传统晶体的非线性特性，而是协同设计层状半导体和超表面，使器件的每个部分——包括电子态、光场和几何结构——都能协同作用，在给定波长下实现高效频率转换。

“这项工作以创造性的方式，将底层材料的量子工程及其非线性增强与优化的超表面设计结合在一起，”Capasso表示。“整体非线性响应得到了极大增强，并可用于自由空间光学。”

多量子阱与超表面

研究团队以砷化镓和砷化铝镓晶体材料为起点，将其生长为称为多量子阱的超薄半导体层堆叠结构。通过精心选择这些层的厚度和排列方式，他们设计了能够产生强光-物质相互作用的电子能级。重要的是，他们采用了一种与传统方法不同的电子跃迁类型，从而在量子阱中实现强非线性效应，并使这些效应能够在更短的波长下工作。

为了充分释放材料的潜力，研究人员随后在其表面图案化排列了微小的光整形纳米柱——即超表面，这些结构能够在亚波长尺度上捕获和整形光。Capasso团队是超表面技术的领先团队之一。

超表面上精确设计的纳米柱将电磁场引导至层状半导体内的正确方向，同时将场集中在材料内部，从而增强结构内的光强度。研究人员还控制了场的对称性，使得原本会相互抵消的相互作用得以发生。

这些效应共同作用，将光的有效非线性转换提升了比未图案化晶圆所观察到的高出三个数量级的水平，也高于此前报道的同类器件在近红外波长下的数值——展示了该器件在光纤网络中的潜在应用价值。

德克萨斯大学奥斯汀分校Seth Bank教授领导的合作团队设计了多量子阱材料，而Capasso团队则设计了电磁场在该材料内部的行为方式，“以便充分利用材料特性，”Capasso实验室博士生、论文第一作者Pernille Undrum Fathi表示。

与现有半导体制造工艺兼容

这一新平台完全基于标准化合物半导体材料和平面纳米制造技术，因此与现有半导体制造工艺兼容。由于非线性响应如此之强，类似的器件可以做得非常紧凑，同时仍能高效转换光。

潜在应用包括用于产生难以用激光直接生成的特定颜色光的芯片级频率转换器，以及用于光子量子通信和计算的多光子纠缠对源。

“这一初步演示为纳米光子学与材料科学交叉领域的更多研究打开了大门，对此我感到非常兴奋，”Fathi表示。