近日，华中科技大学武汉光电国家研究中心熊伟教授团队提出了一种新颖的分子三维组装方法。通过规划飞秒激光焦点扫描路径控制各项异性分子的定向排布，研究团队实现了液晶分子高精度和高自由度的三维定向组装。该研究不仅可用于液晶型光电功能器件的三维高精度组装制造，同时也为其他各向异性分子的三维高自由度高定向组装提供了新的思路。相关研究成果以“3D Directional Assembly of Liquid Crystal Molecules”为题发表在《Advanced Materials》上。 分子自组装是指无序的分子在分子间相互作用下形成有序结构的一种技术，被认为是最有潜力的“自下而上”纳米技术之一。该技术能够充分发挥各向异性分子基团的光、电、磁、热、机械等特性，从而满足信息、生命、电子、材料等领域的应用需求。然而，分子间的弱相互作用往往难以实现应用中所需的强各向异性，限制了高性能各项异性分子器件的发展。目前，国际上已报道的分子定向组装多为单轴有序排布，各向异性分子也仅能按照晶格或堆叠的有序排列，如何攻克高精度、可编程、高自由度的三维分子组装一直是当前的一项国际难题。 针对这一挑战，熊伟教授团队以典型的各向异性液晶分子为例，利用飞秒激光直写技术，编程规划激光焦点的扫描路径，实现了液晶分子的高自由度三维定向组装，通过控制激光扫描方向即可定制分子组装方向。这一方法无需对液晶分子进行预先取向处理，首次在三维分子组装领域将光场用于分子取向与聚合过程，实现了单步高精度高定向的分子组装，如图1所示。 通过在加工系统上搭建实时偏振观察模块并结合理论推导计算，研究团队深入探讨了飞秒激光定向组装液晶分子的物理机制。研究表明，在飞秒激光扫描成形过程中会产生显著的激光诱导剪切力效应，液晶分子沿激光扫描方向形成取向种子层。在随后的显影过程中，由于各向异性的体积收缩，聚合物主链沿激光扫描路径定向排列，从而进一步强化规范了液晶分子的定向排布，如图2所示。 该研究充分发挥了飞秒激光加工的可编程优势，通过激光扫描路径规划可实现不同偏振干涉色的微纳结构，成功制造出具有偏振选择和彩色成像功能的菲涅尔波带片阵列，如图3所示。 熊伟研究团队基于飞秒激光定向组装分子的策略，利用飞秒激光直写的高精度和真三维制造优势，成功实现了液晶分子的亚微米精度（129.6 nm）和高自由度的三维组装，同时该方法在其他有机高分子材料的各向异性组装中也展现出了巨大的潜力。 图1.液晶分子的三维定向组装示意图与实物图 图2.实时偏振观察装置与液晶分子的飞秒激光组装原理 图3.偏振干涉色与具有偏振选择和彩色成像功能的菲涅尔波带片阵列 查看详细>>

近日，来自洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员开发了一种芯片集成的掺铒波导激光器，这一新型激光器的性能接近光纤激光器的性能，结合了可调谐性和芯片级光子集成的实用性。 众所周知，光纤激光器使用掺杂稀土元素的光纤作为增益介质。因此与二氧化碳等气体激光器相比具备了高光束质量、高功率、高效率、尺寸小以及光纤输出与柔性加工平台的无缝融合等优势。 而为了满足对芯片级光纤激光器的需求，研究人员转向铒作为增益介质。铒基光纤激光器满足保持高相干性和稳定性的要求而特别有前景。但长期以来，由于难以保持其特有的高性能，铒基光纤激光器小型化一直难以实现。 为此，研究人员首先基于超低损耗氮化硅光子集成电路构建了一米长的片上光腔。洛桑联邦理工学院光子学和量子测量实验室的研究员Yang Liu认为：尽管芯片尺寸紧凑，但我们能够将激光腔设计为米级长度，这要归功于这些微环谐振器的集成，这些谐振器有效地扩展了光路，而无需物理放大器件。重大突破！芯片大小的激光器或将取代光纤激光器？ 然后，该团队在电路中植入了高浓度的铒离子，以选择性地产生激光所需的有源增益介质。最后，他们将电路与III－V族半导体泵浦激光器集成在一起，以激发铒离子，使它们能够发光并产生激光束。 为了改进激光器的性能并实现精确的波长控制，研究人员设计了一种创新的腔内设计，其特点是基于微环的游标滤光片，这是一种可以选择特定频率光的滤光片，以提高激光器的性能并实现精确的波长控制。 该滤光片允许在C波段和L波段内对40 nm的激光波长进行动态调谐，这在调谐和低光谱杂散指标方面都超过了传统的光纤激光器，同时保持与当前半导体制造工艺的兼容性。该设计支持稳定的单模激光，固有线宽为50Hz。 芯片级铒基光纤激光器的输出功率超过10 mW，侧模抑制比大于70 dB，性能优于许多传统激光器。其窄线宽使其能够发出纯净而稳定的光，非常适合传感、陀螺仪、激光雷达和光学频率计量等相干应用。 将铒光纤激光器缩小并整合到芯片级设备中可以使其变得更加经济实惠，为消费电子、医疗诊断和电信领域高度集成的移动系统开辟新的应用。它还可以缩小其他几个应用中的光学技术，包括激光雷达、微波光子学、光频率合成和自由空间通信。 查看详细>>

新南威尔士大学的Andrey E.Miroshnichenko教授团队采用具有天线状光场、强电磁场限制能力的可调谐、宽共振范围的金属纳米腔，以及具有高温度稳定性的过渡金属二硫化物(TMDC)二维薄层，成功构建了杂化等离子体超构材料腔，并深入探索了光与杂化等离子体超构材料腔之间的相互作用。该成果为新型光电器件、量子信息技术的发展奠定了基础。 光与物质之间的强耦合作为一种基本的量子光学现象，近年来也吸引了研究者们的广泛关注，其不仅具有重要的科学意义，并且对于新型纳米光子器件、高灵敏度传感器、单光子源等新型器件的研发具有重要意义。“等离子激元”是指局域在金属表面的一种由自由电子和光子相互作用形成的混合激发态，而“激子”则是半导体中电子和空穴由其间库仑相互作用而结合成的一个束缚态系统。具有高可调谐性、强电磁场限制能力的等离子体纳米腔，是实现等离子激元与激子强耦合的基础，要实现增强电磁场与物质之间的相互作用，就必须对金属腔体结构进行设计，在激子处于模式稳定的条件下，使等离子激元与激子之间的共振能量实现匹配，并且二者之间的能量交换速率大于衰减速率，才能实现增强等离子激元与激子之间的耦合强度。因此，发展具有高可调谐性、高集成性等优势的超构表面、超构光栅以及包含量子发射器的超构材料等金属腔体结构，对于量子信息技术等领域的发展非常重要。 近日，来自澳大利亚堪培拉新南威尔士大学的Andrey E.Miroshnichenko教授团队在Opto-Electronic Advances期刊发表了题为“Strong coupling and catenary field enhancement in the hybrid plasmonic metamaterial cavity and TMDC monolayers”的文章。该项研究采用具有天线状光场、强电磁场限制能力的可调谐、宽共振范围的金属纳米腔，以及具有高温度稳定性的过渡金属二硫化物(TMDC)二维薄层，成功构建了杂化等离子体超构材料腔，并深入探索了光与杂化等离子体超构材料腔之间的相互作用，包括等离子激元-激子强耦合、悬链线场增强效应等。通过改变空腔间隙的大小或厚度，可以对等离子激元的共振能量进行调节，进而与TMDC薄层中的激子实现强耦合。随着空腔间隙宽度、厚度的增大，悬链线场增强效应还将逐渐减弱，进而导致不同程度的Rabi分裂（室温下Au-MoSe2和Au-WSe2异质结构中的Rabi分裂能量介于77.86~320 meV之间）。因此还可以通过调谐悬链线场增强效应来控制等离子激元与激子之间的耦合强度。 图1左上：沿y轴偏振方向垂直入射的Au腔顶部MoSe2薄膜的示意图，右上：随Au厚度变化的吸收光谱测试结果；下：MoSe2薄膜中等离子体模式与激子之间的强耦合示意图 在未来，通过增强该腔体结构中的自发辐射几率及实现进一步的耦合强度控制，有望实现高纯度单光子源、高速纳米激光器、增强型传感器等新型器件的研发。该成果为新型光电器件、量子信息技术的发展奠定了基础。 查看详细>>

近日，在上海举行的3GPP RAN（无线接入网络）第104次会议上，3GPP R18标准宣布冻结。虽然R18仍在等待SA的最终复审，但冻结一事基本上没有悬念。R18是5G标准史上第4版演进标准，更为重要的是它被视作5G下半场5G-Advanced第一个正式的标准，对于，支持5G发展进入5G-A商用新阶段。 2021年12月，3GPP在R18标准中立项了近30个课题，其中包括多个物联网技术方向的课题。如今，R18冻结，相关的物联网方向课题也如期完成，为物联网产业界规划下一步产品和方案提供支持。同时，R18阶段也对一些新的方向进行前期讨论和预研，为R19以及后续的标准演进和制定打下基础。可以看出，构建一张网络支持各种类型物联终端接入能力是5G演进的一个显著趋势。 RedCap增强版标准，完善了5G对不同速率等级终端的支持 R18标准中，针对物联网最具代表性的进展是完成了RedCap的增强版本标准，即eRedCap，在R18所立项的课题是《Enhanced support of reduced capability NR devices》。在本次3GPP RAN第104次会议上，通过了该课题的多个方向，例如在RAN2就通过了以下文案并提交全会通过。 众所周知，RedCap的首个标准在R17已经冻结，面向中速率物联网终端接入场景，将NR的带宽从100MHz裁剪为20MHz，天线配置减少到1T1R或1T2R，引入半双工模式等优化，使其在Sub 6GHz频段范围内可支持约20Mbps-100Mbps的上下行理论峰值速率，与LTE Cat.4终端能力接近。 目前，RedCap已经成为5G物联网的重点领域，产业界高度重视其商用进展，中国市场发展尤其亮眼。去年10月份，工信部发布的《关于推进5G轻量化（RedCap）技术演进和应用创新发展的通知》，今年4月，工信部又发布了《关于开展2024年度5G轻量化（RedCap）贯通行动的通知》，对RedCap全面发展提供了政策保障。产业各方也积极响应，近日举行的RedCap产业峰会上，中国移动表示其RedCap商用网络已覆盖全国200多个城市超30万站，并宣布2024年底前在超过300个国内城市启动全球规模最大的5G-A商用部署；中国电信携手中国联通在浙江、贵州、广东、河南、上海5个省市现网环境下完成全球首个全频段、全制式、全场景5G RedCap商用验证，启动百城规模商用进程。 本次冻结的R18标准中，增强版的eRedCap则面向10Mbps中低速率物联应用，定义5MHz新终端，进一步降低终端成本，不少性能与LTE Cat.1和Cat.1 bis终端能力类似，为未来5G一张网络支持中低速物联提供便利。 此前，3GPP在R15-R17版本标准中，引入了针对NB-IoT和LTE-M的增强标准，让NB-IoT和LTE-M平滑演进到5G家族中，5G一张网络可以实现对NB-IoT和LTE-M的兼容。R17引入了RedCap后，使得5G能够实现大部分从低速到高速物联终端接入的支持，然而对于速率处于10Mbps级别的物联网终端，5G网络无法实现对其支持。本次R18冻结并引入eRedCap，实现了5G对低速到高速物联网终端接入的全覆盖。 不过，虽然eRedCap的标准已冻结，但其规模化应用尚需时日。RedCap商用分成三个不同的发展阶段，2026年前后第二阶段启动，这个阶段开始eRedCap有一定的应用，在蜂窝物联网中速领域占绝了一席之地，但其连接规模还是远远低于LTE Cat.1系列，对Cat.1不能形成压倒性优势；只有在第三阶段，即主管部门、运营商明确4G退网的时间节点时，eRedCap才能对4G物联网系列逐渐具备了压倒性优势，替代Cat.1加速，形成规模化应用态势。 同时，在R18立项的《Low-power Wake-up Signal and Receiver for NR》课题中，面向功耗敏感的物联应用，引入超低能耗唤醒接收机，大幅降低终端待机电流提升续航。另外，本次3GPP RAN第104次会议针对RedCap提出了一个新的课题，聚焦终端进一步节能的标准，即《NR power class 2RedCap(Reduced Capability)UE in FR1》。 IoT-NTN增强版标准，提升卫星直连物联网通信能力 2022年6月，3GPP R17版本标准冻结，其中一个备受关注的特性就是卫星通信。在这一版标准中，有两个工作组对NTN来进行标准化工作，一个是针对移动宽带的NTN标准，另一个是针对物联网用例的NTN标准，前一个采用5G NR框架来进行卫星通信，实现从地面到卫星的固定无线接入回传，并为智能手机直接提供低速率数据服务和语音服务；后一个侧重支持低复杂度LTE-M和NB-IoT等LPWAN终端卫星接入，扩大很多场景的网络覆盖范围，如全球资产追踪。 R18立项课题中，就包括了《IoT NTN enhancements》这一课题。在R17 NTN的基础上，为进一步解决中低轨卫星由于超高速移动导致的频繁切换难题，R18通过协同网络和终端的卫星通信等信息，实现终端无感知切换，有效避免了传统切换带来的频繁信令风暴和业务中断问题。 从3GPP RAN第104次会议的文档列表中可以看出，针对NB-IoT的标准研究均围绕卫星物联网的方向进行的。例如RAN4针对《RAN4 CRs to closed NB-IoT/eMTC core&performance requirements for NTN》通过了多个文档，铱星公司提出了针对NB-IoT NTN进一步增强的新提案，包括提升能效和使用新的频段等，希望在R19版本中完成冻结。 市场研究机构ABI Research和Juniper research等均预测到2030年5G NTN连接数超过1亿，而这超过1亿的连接中，物联网连接应该是占据大多数份额。相对于支持手机宽带数据和语音的NR-NTN，支持物联网的IoT-NTN似乎更快实现了落地商用，从器件到测试再到应用场景，业界都开始形成初步成果。 过去几年，卫星物联网赛道出现大量厂商，卫星物联网技术路线越来越多选择3GPP标准化路线，因为3GPP NTN标准化路线影响力越来越大，借助3GPP阵营成熟的产业生态，卫星物联网领域的成本会快速降低，有利于形成规模化，未来基于3GPP的IoT-NTN成为大部分卫星物联网运营厂商的选择。 无源物联网标准展望，面向千亿物联市场 此前，相关机构就在无线接入网技术组立项了名为“Study on Ambient IoT(Internet of Things)in RAN”的研究课题，随着R18阶段标准化的工作接近尾声，这一课题最终形成了编号为3GPP TR 38.848的技术报告，作为R18阶段无线接入技术组无源物联网的核心成果。 3GPP RAN第102次会议通过了一个无源物联网研究项目（SI）立项，预期在5G R19阶段版本中发布，该SI项目建立在R18阶段的研究课题之上。本次RAN第104次会议针对无源物联网展开讨论，对于无源物联网研究方向形成一些共识。这些讨论包括对无源物联网在R19阶段研究计划、无源物联网研究范围、无源物联网演进等，为未来R19中无源物联网研究奠定基础。 无源物联网作为R19中的SI课题，可能不会随着R19冻结形成可进行商用参考的技术规范。因此，基于蜂窝技术的无源物联网商用还需要一段较长的时间，未来在R19阶段的研究取得预期成果后，或许R20阶段会迎来无源物联网标准规范的问世，R20作为5G-A最后一个版本，届时无源物联网补齐了5G-A承诺的功能模块，赶上5G标准应用的“末班车”，实现3GPP阵营无源物联网的商用。 总结来看，RedCap增强、IoT-NTN增强以及无源物联网的探索，都在不断补齐和强化5G能够支持的各类物联网终端接入能力。除此之外，还有诸如定位能力优化、XR增强等技术方向都对物联网能力增强提供强力支撑。虽然本次R18并未完全实现各类连接技术的完善，但可以看出，5G标准演进的一个趋势是持续构建全场景物联，提升能力，让一张蜂窝网络能够支持更多类型物联连接。 查看详细>>