表面等离激元与光子学融合:芯片上超快全光交换新突破

AOMgongqihuang以光子作为信息载体来实现超高速超宽带信息处理芯片,不但是信息技术发展的重要目标,也是人们长期以来追求的梦想之一。芯片上超快全光交换能够将任意一个输入波导中的信号光切换到任意一个输出波导,是实现超高速超宽带信息处理芯片的最核心器件之一,其芯片上集成实用化要求的4个重要指标是:超低能耗、超快响应、芯片上触发、多波长(或宽带)操作。其实现机理是利用三阶非线性光学Kerr效应,即信号光(或控制光)诱导折射率改变。一方面,由于通常的半导体材料和有机聚合物材料的三阶非线性光学系数相对较小,单纯依靠硅基光子学和有机光子学很难实现低能耗的片上超快全光交换。另一方面,由于贵金属材料内在的欧姆损耗导致表面等离激元较大的传输损耗,单纯利用表面等离激元很难实现大规模片上超快光交换阵列。因此,目前国际上在该领域的实验研究中存在的难题是,难以在集成光子回路中实现超低能耗、超快响应、片上触发、多波长操作的全光交换。这就严重限制了片上全光交换在超高速超宽带信息处理芯片和集成光子回路中的应用。

北京大学龚旗煌院士和胡小永教授领导的研究团队提出复合增强三阶非线性新方法、以及表面等离激元-介电光子纳米复合结构新构型,获得了同时具有皮秒量级超快响应和巨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相结合,以具有强光场局域和场增强效应的表面等离激元纳米复合腔作为开关单元,表面等离激元纳米复合腔提供片上表面等离激元感应透明,能提供4个工作波长;以超低损耗氮化硅狭缝光波导作为连接波导,制备出由氮化硅狭缝光波导连接4个表面等离激元纳米复合腔所构成的低损耗片上2×2全光交换器件,并在其上表面旋涂纳米复合材料nano-Au:(IR140:PDTP-DFBT),然后在纳米复合材料nano-Au:(IR140:PDTP-DFBT)上表面制备氮化硅控制波导,利用上层控制波导的倏逝场触发开关单元来实现片上触发的全光交换的功能。将全光交换的控制光阈值光功率降低4个数量级,控制光强降低到450 kW/cm2,同时保持63 ps的超快时间响应,并具有4个工作波长。全光交换功能的实现也可以利用信号光本身触发开关单元来实现。这样实现了超低能耗、超快响应、片上触发、多波长操作的全光交换器件。

这项研究工作为克服集成光子器件研究所面临的材料瓶颈难题提供了一条新思路,有助于推动超大规模片上集成全光交换的实用化研究,而且为实现超高速三维集成光子逻辑处理功能芯片提供了一条新途径。相关论文在线发表在Advanced Optical Materials (DOI: 10.1002/adom.201600271)上。