传输型光学掺杂的概念及应用：（a）基本概念，（b）降低对材料损耗敏感性的机理，（c）超耦合传输线示意图，（d）实验测试结果
近零介电常数（Epsilon-near-zero，ENZ）媒质是一类介电常数趋于零的特殊电磁媒质，呈现诸多奇特的电磁效应。其中，超耦合效应最有工程应用前景。对于理想的超耦合效应，电磁波可以无反射、无损耗、零相移地通过任意形状、任意尺寸的ENZ媒质通道，可实现具有良好传输性能的柔性微波传输线，特别在毫米波、太赫兹等高频段具有性能优势，适用于芯片与集成电路领域的应用。然而，由于ENZ媒质中的波阻抗趋于无穷，理想的超耦合需要无限窄的通道宽度，在实际应用中有极大的局限性。
2017年，美国宾夕法尼亚大学电气与系统工程系纳德·恩赫塔（Nader Engheta）教授和李越副教授在《科学》（Science）上合作发表论文，首次提出ENZ媒质中光学掺杂概念，通过在ENZ媒质中集成介质结构，在亚波长尺度对ENZ媒质的阻抗特性进行任意调节，实现了ENZ媒质与任意传输线的阻抗匹配。李越副教授团队在2019年的《自然·通讯》（Nature Communications）研究工作中进一步将光学掺杂概念用于超耦合效应的研究，但是该光学掺杂模式基于掺杂材料的电磁谐振，具有较大的谐振损耗，导致超耦合传输效率低于60%，仍有较大的应用局限性。
以提升超耦合效应的传输效率为目标，该研究工作提出了一种基于电磁波传输的光学掺杂方法，有效地降低了现有的传统光学掺杂方式的谐振损耗（图（b）），实现了高效率的超耦合传输。实验显示，基于传输型光学掺杂的超耦合结构，传输效率可达80%。为与典型集成电路工艺相结合，该论文提出了适合平面集成的超耦合结构，可以任意弯折和形变（图（c））。通过实验验证，观测到了高传输效率的超耦合效应（图（d）），与解析理论相吻合。
该研究成果近日以“面向高效率近零介电常数超耦合的传输型光学掺杂”（Transmission-type photonic doping for high-efficiency epsilon-near-zerosupercoupling）为题发表在《自然·通讯》（Nature Communications）。
该论文的理论和实验工作均在清华大学完成，清华大学电子工程系为论文的第一单位。电子工程系博士生闫雯荻和周子恒（已毕业，现为福州大学副教授）为论文的共同第一作者，李越副教授为论文的通讯作者。该研究得到国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目和北京信息科学与技术国家研究中心的资助。
论文连接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-41965-5
供稿：电子系
题图设计：韩羽臻
编辑：李华山
审核：郭玲
2023年10月08日 09:07:28
