光波長路由納米器件的通用設計及其全光調控研究

《光波長路由納米器件的通用設計及其全光調控研究》是依託北京理工大學，由路翠翠擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：光波長路由納米器件的通用設計及其全光調控研究
• 依託單位：北京理工大學
• 項目負責人：路翠翠
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

光波長路由納米器件能夠使不同波長的光傳播到不同位置，是實現光子晶片的關鍵。然而兩個方面的因素制約了此類器件的發展：一方面，尚缺少通用的計算方法指導此類器件的設計；另一方面，對此類器件的超快速低功率全光調控至今難以實現。本項目旨在開發對金屬和介質納米結構都適用的通用計算方法，用於光波長路由納米器件的設計，對此類納米器件的設計有重要指導意義。實驗上，提出利用新型二維納米材料實現器件三階非線性增強，利用飛秒雷射脈衝泵浦探測系統，實現對光波長路由納米器件的超快速低功率調控。

結題摘要

以光子為信息載體的集成納米光子器件在光通信、光信息處理、光計算等領域有著廣泛的套用。光路由納米器件能夠將不同的入射光信號（波長、偏振等）分離並引導到不同的輸出連線埠，是光子晶片的核心組成部分。隨著信息技術和大數據時代的發展，對集成度的要求越來越高，表現在要求器件尺寸更小、頻寬更大、損耗更低等。然而，傳統的基於光子晶體、光柵、表面等離激元、光學微腔等結構設計的光路由納米器件難以同時滿足上述系列要求。長期以來，研究人員在全光納米器件設計過程中，通常需要對已知物理模型和確定的器件結構進行最佳化，為了得到性能最佳的器件，需要人工多次最佳化結構參數，消耗大量計算資源和時間，且最佳化過程由於受已有結構影響存在嚴重的局限性，限制了此類器件的進一步發展和實際套用。在該項目中，經過多次探索，將有限元方法與遺傳算法結合，成功地發展出一套設計片上路由納米器件的智慧型算法，該算法適用於不同結構形狀、不同工作波段、不同輸出連線埠，對金屬和介質都適用。在實驗上採用聚焦離子束刻蝕系統的微納加工技術製備出樣品，並利用光纖耦合顯微系統對器件進行了測試表征。對波長和偏振路由測試結果與理論計算相符，器件尺寸為一個波長量級（其中近紅外波段的波長路由器件為1.4 μm × 1.8 μm，偏振路由器件為970 nm × 1240 nm），是目前國際上尺寸最小的片上路由器件，發表在Optica，Laser Photonics & Reviews, Physical Review Applied, Optics Letters等國際重要期刊上。實現了項目書的研究目標，圓滿完成了各項研究目標任務。研究成果以論文和專利的形式呈現，在國際重要期刊發表接收學術論文8篇（SCI一區5篇），還有1篇（Advanced Optical Materials）在審稿中。成功申請國家發明專利4項（有2項已經授權）。