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我国硅基光子集成器件领域取得系列研究进展

2016-01-27 11:20
九一隐士
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     表面等离子体波导能够局域光在亚波长尺寸(突破光衍射极限),被视为未来大规模光集成电路的候选者,是目前片上光互连技术的研究热点。超表面和石墨烯作为一种新颖的表面结构和二维材料已经被越来越多的关注和研究,尤其是在光电子器件领域。

  武汉光电国家实验室王健教授领衔的多维光子学实验室(MDPL:Multi-Dimensional Photonics Laboratory)致力于硅基光子集成器件设计研制及其在光信号处理中的应用研究,近来在这个领域取得了系列研究进展。

  最近,在王健教授的指导下,硕士研究生张仲来设计了一种long-range hybrid wedge plasmonic (LRHWP) waveguide; 比起之前设计的hybrid wedge surface plasmon polariton (SPP) waveguide结构,在具有几乎相同的模式限制效果的情况下,该波导可以增加一个量级的光传播距离。该工作“Long-range hybrid wedge plasmonic waveguide,”发表在 Scientific Reports 上。此外,博士生桂成程设计了一种新型的楔形hybrid plasmonic terahertz (THz) waveguide,该波导结构具有长传播距离以及非常小的亚波长尺寸模式限制的特征。该工作“Wedge hybrid plasmonic THz waveguide with long propagation length and ultra-small deep-subwavelength mode area,” 发表在Scientific Reports 上。本科生向超设计了一种深亚波长尺寸的非常紧凑的有源混合等离子体环形谐振器,可应用于激光领域。该结构具有很高的品质因子(Q)、很小的模式面积(V)、高Purcell 因子 (Fp)、低阈值增益以及亚微米级的非常小的尺寸。该工作“Proposal and numerical study of ultra-compact active hybrid plasmonic resonator for sub-wavelength lasing applications,”发表在Scientific Reports  上。另外,博士生杜竫设计了一种V型天线阵列,实现了一到四路轨道角动量(OAM:orbital angular momentum)的广播,此结构具有小于-15 dB串扰的特性。该工作“Design of on-chip N-fold orbital angular momentum multicasting using V-shaped antenna array,”发表在Scientific Reports 上。

  图1 (a) 设计的long-range hybrid wedge plasmonic (LRHWP) waveguide结构;(b) 楔形hybrid plasmonic terahertz (THz) waveguide结构; (c) 环形谐振器的三维和二维结构示意图及模式的能流密度分布;(d) 基于V型天线阵列OAM广播的概念和原理。

  石墨烯作为一种二维材料,由于其特殊的能带结构使得它具有很多优异的光电子性质,同时具有很高的三阶非线性。基于石墨烯的四波混频已经被实验证实,包括最早的石墨烯放在玻璃基片上,后续的石墨烯和光子晶体结合,石墨烯和普通单模光纤、微纳光纤结合等。在王健教授的指导下,通过和武汉大学付磊教授、博士生曾梦琪合作,博士生胡晓转移石墨烯到普通单模光纤端面,实验上证实基于石墨烯增强四波混频的高级调制格式(如QPSK)信号波长转换。该工作“Graphene-assisted nonlinear optical device for four-wave mixing based tunable wavelength conversion of QPSK signal,”发表在Optics Express上。石墨烯不仅具有很高的三阶非线性,还具有电吸收可调节性(调节石墨烯费米能级的位置)。结合相干完美吸收(CPA)效应,在太赫兹波段,博士生胡晓设计了一种基于石墨烯的开口谐振圆环结构,通过改变石墨烯的费米能级来改变吸收入射光的强弱,继而实现高速可调节的CPA。该结构可应用太赫兹波段的高速调制器、探测器、传感器等。该工作“High-speed gate-tunable terahertz coherent perfect absorption using a split-ring graphene,”发表在Optics Letters上。

  图2  (a) 石墨烯制备工艺流程图、石墨烯增强四波混频效应光谱图、QPSK波长转换BER曲线及星座图; (b) 太赫兹波段基于石墨烯开口谐振圆环可调节CPA工作原理。
 

 

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