芯片上低能耗超快微纳全光交换

本文摘要：极端光学研究创意团队胡小永教授和龚旗煌院士在微纳全光互相交换器件的研究中获得新进展。芯片上全光互相交换需要将给定一个输出波导中的信号光转换到给定一个输入波导，是构建超高速超宽带信息处理芯片和光计算出来的最核心器件之一，其实用化拒绝的最重要指标是：超强低能耗、超快号召、片上启动时、多波长(或宽带)操作者。构建机理是利用三阶非线性光学Kerr效应，即信号光(或掌控光)诱导折射率转变。

极端光学研究创意团队胡小永教授和龚旗煌院士在微纳全光互相交换器件的研究中获得新进展。芯片上全光互相交换需要将给定一个输出波导中的信号光转换到给定一个输入波导，是构建超高速超宽带信息处理芯片和光计算出来的最核心器件之一，其实用化拒绝的最重要指标是：超强低能耗、超快号召、片上启动时、多波长(或宽带)操作者。构建机理是利用三阶非线性光学Kerr效应，即信号光(或掌控光)诱导折射率转变。

一方面，由于一般来说的半导体材料和有机聚合物材料的三阶非线性光学系数比较较小，全然依赖硅基光子学和有机光子学很难构建片上低能耗超快全光互相交换;另一方面，由于喜金属材料内在的欧姆损耗造成表面等离激元较小的传输损耗，全然利用表面等离激元很难构建大规模片上超快光互相交换阵列。因此，目前国际上在该领域的实验研究中不存在的难题是，无法在构建光子电路中构建超强低能耗、超快号召、片上启动时、多波长操作者的全光互相交换。　　研究论文明确提出一种填充强化三阶非线性新方法、以及表面等离激元-介电光子纳米填充结构新的构型，取得了同时具备皮秒量级超快号召和极大三阶非线性系数的多组分纳米复合材料nano-Au:(IR140:PDTP-DFBT)，并且将表面等离激元和介电光子学的优势结合，以具备强光场局域和场强化效应的表面等离激元纳米填充腔作为电源单元，表面等离激元纳米填充腔获取片上表面等离激元感应器半透明，能获取4个工作波长;以超低损耗氮化硅狭缝光波导作为相连波导，制取出有由氮化硅狭缝光波导相连4个表面等离激元纳米填充腔阵列所包含的片上22全光互相交换器件，利用上层掌控波导的倏逝场启动时电源单元来构建片上启动时的全光互相交换的功能。将仅有光互相交换的掌控光阈值光功率减少4个数量级，掌控透射减少到450kW/cm2，同时维持63ps的超快时间号召。

这样构建了超强低能耗、超快号召、片上启动时、多波长操作者的全光互相交换器件。　　研究论文于2016年8月21日公开发表在最重要期刊AdvancedOpticalMaterials上(ZhenChai,YuZhu,XiaoyongHu,XiaoyuYang,ZiboGong,FeifanWang,HongYang,QihuangGong,On-chipopticalswitchbasedonplasmon-photonhybridnanostructure-coatedmulticomponentnanocomposite,AdvancedOpticalMaterialsVol.4,No.8,1159-1166(2016))，并被选为同期的封面文章。

博士生柴真为论文第一作者。AdvancedOpticalMaterials期刊同期体育节目这项工作为解决构建超大规模构建光子电路和芯片面对的内在材料容许修筑了一条道路，还为非线性光学和量子光学的基础研究获取了一个芯片上实验室平台。

该研究工作还被WILEY出版发行集团科技网站MaterialsViewsChina以表面等离激元与光子学融合：芯片上超快全光互相交换新的突破为题展开了专题体育节目。　　研究工作获得国家973项目、介观物理国家重点实验室、2011计划量子物质科学协同创意中心、极端光学协同创意中心等的资助。

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