光通訊波段超快速低功率光子晶體全光開關實現

“飛秒光物理和介觀光學”創新研究群體在介觀光學領域又取得了新進展。龔旗煌教授、胡小永副教授和他們學生在可見－近紅外波段實現微納集成全光開關的基礎上，進一步在光通訊波段實現了低功率、超快速光子晶體全光開關原型器件。研究論文發表在國際權威期刊Advanced Materials上 （Xiaoyong Hu, Yingbo Zhang, Yulan Fu, Hong Yang, Qihuang Gong*, “Low-Power and Ultrafast All-Optical Tunable Nanoscale Photonic Metamaterials”, Advanced Materials, Vol.23, No.37, 4295-4300 (2011)）。

光子晶體全光開關是一種非常重要的介觀光子學器件，在光計算、光互聯和超高速信息處理等領域都具有重要的應用前景。實現低阈值光功率、超快時間響應和高開關效率是其實用化的關鍵。由于通常材料在光通訊波段的非線性光學系數相對較小，使得光子晶體全光開關的阈值光功率高達GW/cm2的量級，這就嚴重制約了光子晶體全光開關的實際應用。

論文通過将Bragg共振增強非線性光學效應與強量子局域效應相結合，制備出在光通訊波段具有大三階非線性光學系數和超快時間響應的複合材料，突破了介觀光子學器件研究在材料方面所受的限制；利用該複合材料實現了低功率、超快速光子晶體全光開關器件原型：将阈值光功率降低了3個數量級，阈值光強從GW/cm2的量級降低到9 MW/cm2, 接近實用化的要求；同時保持了24.2 ps 的超快速時間響應和80％的高開關效率。

在此基礎上，他們還制備出多組分納米複合材料，利用缺陷模式的耦合實現了皮秒時間響應的低功率光子晶體全光開關器件原型，相關工作發表在重要期刊Applied Physics Letters上（Applied Physics Letters Vol. 99, No. 14, 141105 (2011)； Applied Physics Letters Vol. 99, No. 14, 141113 (2011)）。

研究工作得到國家973項目和國家自然科學基金委“創新研究群體”項目等的資助。