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非线性光子晶体超快光开关最新进展

发布时间:2019-08-15 17:21:56

  光波在信息传输速度、带宽和容量等关键性能方面具有无与伦比的优势。全光开关是进行快速光信息处理、全光集成的关键器件,其研制涉及光和物质(即开关器件)相互作用的核心内容。运行速度超快(快于皮秒)、体积超小(微纳米量级)、功耗低(低于飞焦耳)的全光开关是实现下一代信息技术的关键器件,因而受到国际上物理、化学、材料学、光学工程、电子工程等众多基础和应用领域的广泛关注。中国科学院物理研究所光物理实验室/北京凝聚态物理国家实验室(筹)张道中和李志远研究员领导的研究团队,两代人致力于非线性光子晶体超快全光开关和逻辑功能器件的研究,取得了一系列的进展。

  光子晶体具有光子带隙和光子局域等物理特性,可用来增强光和物质的非线性相互作用,比如慢光效应,谐振腔共振效应等。克尔非线性光子晶体中包含有克尔非线性材料,集合了克尔效应和光子晶体效应双重优势,是实现微纳尺度超快全光开关的一条重要途径。在外界强超快脉冲的泵浦作用下,克尔材料的折射率发生超快变化和调制,使得光子带边或者缺陷态瞬时移动。如果探测光的波长设置在带边或者缺陷态的位置,其透射率在泵浦前后会发生显著的变化,从而实现超快的全光开关。

  研究团队系统性地开展了基于聚苯乙烯克尔非线性光子晶体光开关和逻辑功能器件的研究。聚苯乙烯作为一种共轭聚合物材料,具有很好的克尔非线性特征:较大的三阶非线性系数(比硅大两个数量级),超快的开关响应时间(接近 飞秒),以及成本低廉、易于制作等。从2004年开始,研究团队利用化学自组装技术和纳米加工技术,成功制备了各种三维蛋白石聚苯乙烯非线性光子晶体,二维聚苯乙烯薄膜非线性光子晶体,以及半导体/聚苯乙烯复合非线性光子晶体等(图1)。利用各种脉冲宽度的泵浦驱动非线性光子晶体,采用泵浦-探测技术定量地测量了相应的光开关响应时间。从2005年开始,利用越来越快的,先后实现了10皮秒,120飞秒和20飞秒的全光开关,发现光开关的响应时间与泵浦激光的脉冲宽度基本上相当。2008年利用脉宽为6飞秒的脉冲激光驱动聚苯乙烯非线性光子晶体的带隙移动,实现了响应速度为10飞秒的光开关(Appl. Phys. Lett. 95, 1 1116 (2009))。此开关速度接近于聚苯乙烯材料的光学响应时间,为国际上最快的光开关。随后,研究团队提出了利用包括金属纳米颗粒表面等离子体共振效应和光子晶体谐振腔共振效应以降低光子晶体光开关泵浦功率的若干种方案,有助于实现具有实用化前景的超快光子晶体光开关。2011年提出了双路波导-双共振腔的方案,通过控制微腔的共振频率和泵浦光的功率,可实现各种全光逻辑门器件(Opt. Exp. 19, 1945 (2011))。

  当今基于微电子和光电子集成芯片的超大规模信息通讯和处理技术遇到了能耗、速度和带宽等瓶颈,而硅基集成光电子器件有望带来突破。硅在光通讯波段有很高的折射率和很小的吸收,非常适合于构建集成光传输器件,比如波导、共振微腔、波分复用等关键器件。但是,硅材料非线性系数低,响应时间慢(纳秒量级),因此,很难构建硅基的超快(亚皮秒甚至飞秒)全光或者光电开关,这大大限制了超快信息处理所需的光开关速度的提升。为解决这一问题,研究团队创造性地提出将聚合物与硅光子晶体结合的复合非线性光子晶体的概念,并发展了基于纳米压印的合成技术,成功制备了高质量的复合材料非线性光子晶体结构和器件,传承了硅材料和聚苯乙烯材料的各自优点(Opt. Exp. 20, 1 091 (2012))。该工作有望突破硅材料非线性响应的速度限制(纳秒水平),为实现亚皮秒的光开关和逻辑功能器件,乃至光子晶体全光集成提供优质的物理平台。

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