液晶微滴实现纳秒级光学开关

用光来控制光，一直是计算和通信技术领域长期追求的目标。实现这一能力，意味着无需将光信号转换为电信号即可直接进行处理，有望催生更快、更节能的设备。近年来，研究人员开始探索一个意想不到的平台来实现这一目标：软物质。

软物质如何塑造光

软物质光子学研究的是液体、液晶、凝胶和聚合物等材料如何通过自组织形成操控光的结构。与需要精密纳米加工的传统固态光子元件不同，软材料可以自发形成具有特定光学功能的几何结构。一些软材料还表现出非线性光学行为。例如，通过克尔效应，它们的折射率可以随强光而变化，从而使一束光能够影响另一束光，实现皮秒时间尺度的超快光学开关。

据《先进光子学》报道，一个国际研究团队提出了一种不同的方法：基于液晶谐振腔中的共振受激发射损耗效应的纳秒级光学开关。这种方法不依赖于折射率的变化，而是操控谐振结构内部存储的光能。

作为激光腔的液滴

研究人员制造了一个微米级的、掺杂了荧光染料的液晶液滴。该液滴作为一个能够支持回音壁模式的谐振腔，光沿着其边缘环绕并被放大。液滴被置于水中，其表面与几个锥形聚合物波导接触，这些波导负责将光导入和导出谐振腔。

当初始激光脉冲通过波导激发染料时，液滴开始发射激光。然而，如果在激光发射开始之前，一个红移的第二光脉冲通过同一波导进入，它会触发受激发射，耗尽受激发的染料分子。这样，存储的能量就不再产生回音壁模式的激光发射，而是被用来放大这第二个脉冲。实际上，该系统通过切换输出中占主导地位的波长，实现了无需电输入的光控光。

自形成接触提升效率

一项关键创新在于固体波导如何与液体液滴连接。在固体材料中，球形腔与圆柱形波导之间的接触面积太小，无法高效传输光。但由于液滴是液体，当它与波导接触时，会因表面张力和界面力而轻微改变形状，从而建立起稳定高效的光学连接。研究人员指出，这种自形成的接触在固体材料中难以实现，这明确凸显了软物质在光子互连方面的优势。

这种方法还非常节能。在传统的受激发射耗尽应用（如超分辨率显微镜）中，耗尽脉冲的强度通常要比激发脉冲高出几个数量级，因为它只与样品相互作用一次。相比之下，在这个谐振腔中，耗尽光会多次环绕，反复与受激分子相互作用。这种多程效应极大地提高了效率，与非共振条件相比，所需的耗尽能量降低了一百多倍。

迈向软体、仿生光子学

除了展示纳秒级全光开关之外，该平台相比传统光子技术还具有实际优势。球形腔可以通过更快速的自组装过程形成，省去了硬质材料所需的众多生产步骤。这为生物相容性甚至柔性光子器件打开了大门，未来或许可以利用软压印光刻技术复制复杂的电路，在低温下生产，并使用毒性更低的材料制成。

研究人员将这项工作视为迈向新型软体、仿生光学技术的基础性一步。通讯作者、斯洛文尼亚卢布尔雅那大学和约热内夫·斯特凡研究所的伊戈尔·穆舍维奇教授表示："我们展示了一种自组装的软物质微光子元件，一个能够在极低光强下实现光控光概念的软物质光子开关。因此，这是一个基于软物质自组织特性的光子器件的罕见例子，它可能成为未来仿生软光子平台的一个构建模块。"

相关链接：https://dx.doi.org/10.1117/1.ap.8.2.026009