导读

光路由器因其满足对不同频率色光辐射方向的分离需求，在光信息技术中实现了对光子动量这一信息载体的主动调控。然而由于光学衍射极限的限制，光路由器在深亚波长尺度对光子动量的操纵技术亟待突破。

近期，北京理工大学王涌天教授团队联合北京大学方哲宇教授团队创新性的提出了一种基于电子束调控光路由阵列的加密显示技术。该技术通过对显示单元的电子束选择性激发来调控红绿双色光路由的辐射方向，并结合可编程门阵列电子束调控技术，实现红绿双色加密显示。实验结果表明，这种方法能够显著减小显示单元尺寸到亚波长量级，在电子束激发位点的选择性调控下，实现了基于ACSII编码的加密显示。

相关研究成果以“Programmable electron-induced color router array”为题在线发表于国际顶尖光学期刊《Light: Science & Applications》。北京理工大学副研究员池骋、北京大学博士毕业生党郅博、北京理工大学硕士研究生刘永琦为共同第一作者，程德文教授、方哲宇教授和王涌天教授为该论文的通讯作者。

研究背景

纳米光路由效应提供了一种在频域和空间域中高效调控光子动量的独特手段。在研究光传播过程中的波前调制时，光路由将不同频率的光散射到不同的方向，已被用于多频率通道中的光操纵，例如光子晶体波导、频域编码的量子信息处理器等。光子作为信息载体时具有高鲁棒性和大容量的特质，因此多频率通道操纵光子动量的纳米光路由器可用于多重光信息技术中，以实现高维和低串扰的光信息编码和加密。光路由器的结构设计近年来得到广泛研究，结合超表面、纳米天线、光栅等方案实现了光子动量的多重调制。为了进一步提高纳米光路由器的操纵途径与精度，需要提出一种高效的解决方案来实现光路由器的主动可编程调控，以更充分实现其在光信息应用中的潜力。

创新研究

1.电子束激发光路由效应

作者团队提出了通过电子束激发光路由效应在深亚波长尺度上对红绿二色光子动量的调制方法。当片上电子源的电子束激发单个金纳米天线的特定位置时，远场辐射的绿色和红色激发光被路由到不同的传播方向，如图1所示。通过改变电子束的激发位点，可以触发远场特征辐射模式转换，从而实现红绿二色光子辐射方向的选择性激发。

图1. 电子束激发光路由效应示意图。

2.光路由效应的纳米尺度选择性调控

为进一步实现光路由效应的精密调控，作者团队在纳米尺度操纵电子束激发纳米天线的位点，如图2所示。不同激发位点实现对红绿二色纳米光路由效应 “开”和“关”状态之间的切换，并进一步实现了红绿分量远场辐射模式的转换。这表明仅使用单个纳米天线操纵二色光路由效应具有可行性。

图2. 光路由效应的纳米尺度选择性调控。

3.基于电子束调控光路由阵列的加密显示技术

结合可编程门阵列技术的电子束调控技术，作者团队进一步实现了远场红绿二色辐射模式的编程调控，并应用于加密显示如图3所示。不同激发位点实现对“00”“01”“10”“11”“消除码”等基于ACSII编码信息加密，通过读取光学傅里叶面的信息译密。实现了大写字母“C”“R”的非密显示，与“BIT”“MRD（Mixed Reality and Display首字母）”的加密信息读取。

图3. 基于电控光路由阵列的加密显示技术。

总结与展望

利用电子束激发的光路由阵列，作者团队提出了一种可编程加密显示的独特方法。通过在纳米尺度选择性调控电子束的入射位置，实现了光路由器的“开”和“关”状态之间的切换，进而实现了红绿分量远场辐射模式的转换。结合可编程门阵列技术，团队进一步实现了可编程加密显示器件，在深亚波长尺度调制、大信息容量和高安全性等方面有显著优势，为未来信息存储和显示技术提供一个新方案。器件的小型化、集成化设计也有望为新型显示器、片上光谱仪、光通信以及集成量子信息技术相关应用的研究提供新思路。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01712-x