光子元件迈向实用的新突破

光子元件很早就出现了，但在实用过程中仍面临很多障碍。现在，跨过门槛的时机可能到来了。

据美国每日科学网站近日报道，美国科学家利用此前研发的“超材料”制造出一台新的非线性设备，使他们操纵光子变得像用电子设备操纵流动的电子一样随心所欲，光子元件取代通讯领域的电子元件又向前迈进一步。

当光穿过一个物体时，即使光可能会被反射、折射或强度有所减弱，但透出来的仍是同样的光线，这就是我们所熟知的线性。然而，某些“非线性”材料会背离这个经验法则，光子和这种非线性的材料相互作用会让光子的频率增加一倍，波长减少一半，新光线名为第二谐波，这个非线性的过程则为二次谐波（也被称为倍频）。

杜克大学普拉特工程学院电子和计算机工程学研究生阿勒克.罗斯指出，在正常情况下，第二谐波的行进方向由所用的非线性材料严格限定。之前研制出的一些非线性设备以及天然非线性材料都很难控制第二谐波的方向。

杜克大学的科学家们使用一种由包裹在玻璃纤维内的金属和线缆组成的“超材料”（具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料）构建出了能引导第二谐波行进方向的非线性设备。

新设备大小为6英尺×8英尺，高约1英尺，由在电路板上使用的纤维玻璃材料一块一块并行排列而成。每块纤维玻璃使用铜环进行蚀刻，每个铜环有一个细小的裂缝，一个二极管横跨其上，当光通过铜环时，会激活二极管，导致铜环失去对称性，从而使整个设备具有非线性。科学家们表示，这个设备能让入射光的频率加倍，同时也能让入射波朝他们想要的方向反射。

光学设备能更快更有效地传输信息，比如，用光纤取代电线就让通讯产业的面貌大为改观，因此，科学家们希望能用光子元件取代电子元件。“毫无疑问，通讯领域未来的弄潮儿将是光子设备，能用电子设备控制电流的方式来控制光子对此非常重要。非线性超材料的独特之处在于对光的掌控能力，这一点在全光通讯中非常重要。”罗斯说。早在2006年，杜克大学团队就首次证明，这种超材料能让光线绕过物体，使物体隐形。2009年，他们又证明，该超材料能像下一代透镜一样工作。

此项研究由美国空军科研部资助，相关成果发表在最新一期《物理学评论快报》上。