基於二維納米材料的新型集成化光快取基礎研究

《基於二維納米材料的新型集成化光快取基礎研究》是依託浙江大學，由郝然擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於二維納米材料的新型集成化光快取基礎研究
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：郝然
• 項目類別：面上項目

項目摘要

本項目瞄準光通信和全光網路交換中對光快取(慢光)的迫切需求，提出用二維納米材料的大色散特性來構造慢光的思路，從模擬和實驗兩方面系統並深入地研究基於二維納米材料的慢光波導。本項目提出用二維材料的優勢來應對慢光中一直未能解決的三大關鍵問題（損耗、頻寬、動態可控），預期大幅提高慢光的性能。本項目擬用汲取了量子信息的久保公式理論來建模二維材料，借鑑光子晶體的知識來設計寬頻慢光波導並進行最佳化。在此基礎上，結合國際最新研究動態，重點研究利用鍵合襯底減小二維材料慢光損耗，和提高外部光耦合進二維材料（只有原子厚度）的耦合效率。最後，實驗驗證基於石墨烯的慢光波導，演示動態可調的光快取，力爭將光速減慢到真空中的1/100且慢光頻寬大於20nm。由於慢光波導是構成光快取器件的核心基礎結構，本項目的研究成果將為突破光快取研究的若干瓶頸提供創新的解決方案，證明二維材料是理想的慢光材料，促進光快取技術的繁榮發展。

結題摘要

本文系統的研究了用二維材料石墨烯來構建光快取器件, 從理論和實驗兩方面設計了新型光快取器件並最佳化了性能，具體包括：一、 論證了二維材料石墨烯的大色散特性具有增強慢光的效果：通過在石墨烯表面或者石墨烯襯底上設計諧振單元周期結構，可以大大增強慢光波導的性能，獲得常規材料無法達到的性能指標。本研究實驗論證了在魚骨狀光柵波導上鋪設石墨烯材料，可以將慢光的頻寬提升一個數量級以上（＞10nm）,相關的結果發表在一區期刊Photonics Research上面；本研究發現通過在石墨烯表面設計諧振結構激發表面等離激元，可以將慢光因子增大1~2個數量級，相關的結果發表在美國光學學會期刊Optics Letters上面。二、 雖然石墨烯具有增強慢光的性能，但是研究發現，石墨烯材料本身在光通信波段本身的損耗非常大，尤其是石墨烯用於激發表面等離激元模式，巨大的損耗使得慢光只能傳輸很小的一段距離。為了克服這一難題，本研究提出另一種延遲線的慢光波導結構，使石墨烯工作在損耗較低的區域，只利用石墨烯的高度可調性來獲得動態可調的慢光。本研究基於耦合模理論設計了七級耦合環結構，可以分別控制光在耦合環裡面傳輸的路程從而控制信號的延時，並進行實驗驗證。相關的結果獲得國際會議青年科學家獎和一項後續國家自然基金面上項目，並正在申請專利，準備最佳化實驗結果後投稿一區期刊。三、 研究了石墨烯慢光效應在增強有源光器件方面的作用（有源器件不需要傳輸大的距離，損耗的影響較小）：本研究論證了利用石墨烯表面等離激元的慢光效應，可以將矽光調製器的調製性能提升3個數量級，實驗驗證30um長的狹縫調製器的調製深度可達0.03dB/um，達到了近期nature論文的水平；本研究提出利用石墨烯慢光效應來增強三縫波導光電探測器的探測能力，實驗驗證了電探測器的光功率約為0.14dBm ，回響度為2.9mA/w，相關結果發表在19年的IEEE Select Topics in Quantum electronics上面。