“極端光學(xué)研究創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”胡小永教授和龔旗煌院士在微納全光交換器件的研究中取得新進(jìn)展。芯片上全光交換能夠?qū)⑷我庖粋€(gè)輸入波導(dǎo)中的信號(hào)光切換到任意一個(gè)輸出波導(dǎo)，是實(shí)現(xiàn)超高速超寬帶信息處理芯片和光計(jì)算的最核心器件之一，其實(shí)用化要求的重要指標(biāo)是：超低能耗、超快響應(yīng)、片上觸發(fā)、多波長(zhǎng)(或?qū)拵?操作。實(shí)現(xiàn)機(jī)理是利用三階非線性光學(xué)Kerr效應(yīng)，即信號(hào)光(或控制光)誘導(dǎo)折射率改變。一方面，由于通常的半導(dǎo)體材料和有機(jī)聚合物材料的三階非線性光學(xué)系數(shù)相對(duì)較小，單純依靠硅基光子學(xué)和有機(jī)光子學(xué)很難實(shí)現(xiàn)片上低能耗超快全光交換;另一方面，由于貴金屬材料內(nèi)在的歐姆損耗導(dǎo)致表面等離激元較大的傳輸損耗，單純利用表面等離激元很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模片上超快光交換陣列。因此，目前國(guó)際上在該領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究中存在的難題是，難以在集成光子回路中實(shí)現(xiàn)超低能耗、超快響應(yīng)、片上觸發(fā)、多波長(zhǎng)操作的全光交換。
研究論文提出一種復(fù)合增強(qiáng)三階非線性新方法、以及表面等離激元-介電光子納米復(fù)合結(jié)構(gòu)新構(gòu)型，獲得了同時(shí)具有皮秒量級(jí)超快響應(yīng)和巨大三階非線性系數(shù)的多組分納米復(fù)合材料nano-Au:(IR140:PDTP-DFBT)，并且將表面等離激元和介電光子學(xué)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，以具有強(qiáng)光場(chǎng)局域和場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)的表面等離激元納米復(fù)合腔作為開關(guān)單元，表面等離激元納米復(fù)合腔提供片上表面等離激元感應(yīng)透明，能提供4個(gè)工作波長(zhǎng);以超低損耗氮化硅狹縫光波導(dǎo)作為連接波導(dǎo)，制備出由氮化硅狹縫光波導(dǎo)連接4個(gè)表面等離激元納米復(fù)合腔陣列所構(gòu)成的片上2×2全光交換器件，利用上層控制波導(dǎo)的倏逝場(chǎng)觸發(fā)開關(guān)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)片上觸發(fā)的全光交換的功能。將全光交換的控制光閾值光功率降低4個(gè)數(shù)量級(jí)，控制光強(qiáng)降低到450 kW/cm2，同時(shí)保持63 ps的超快時(shí)間響應(yīng)。這樣實(shí)現(xiàn)了超低能耗、超快響應(yīng)、片上觸發(fā)、多波長(zhǎng)操作的全光交換器件。
研究論文于2016年8月21日發(fā)表在重要期刊Advanced Optical Materials上(Zhen Chai, Yu Zhu, Xiaoyong Hu, Xiaoyu Yang, Zibo Gong, Feifan Wang, Hong Yang, Qihuang Gong, “On-chip optical switch based on plasmon-photon hybrid nanostructure-coated multicomponent nanocomposite”, Advanced Optical Materials Vol.4, No. 8, 1159-1166 (2016))，并被選為同期的封面文章。博士生柴真為論文第一作者。Advanced Optical Materials期刊同期評(píng)述這項(xiàng)工作“為克服實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模集成光子回路和芯片面臨的內(nèi)在材料限制開辟了一條道路，還為非線性光學(xué)和量子光學(xué)的基礎(chǔ)研究提供了一個(gè)芯片上實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)”。該研究工作還被WILEY出版集團(tuán)科技網(wǎng)站Materials Views China以“表面等離激元與光子學(xué)融合：芯片上超快全光交換新突破”為題進(jìn)行了專題評(píng)述。
研究工作得到國(guó)家973項(xiàng)目、介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、“2011計(jì)劃”量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等的資助。