光波长路由纳米器件的通用设计及其全光调控研究

Optical wavelength routing nano-devices, which can steer light of different wavelengths to different positions, are the key to realize photonic chip. However, two factors restrict the development of the devices. On one hand, the lack of universal calculation method has hindered the design of such nano-devices; on the other hand, the ultrafast low-power all-optical control is still difficult to realize. This program aims to develop a universal calculation method for the optical wavelength routing nano-devices both suitable for metal and dielectric, which is of importance for the design of such nano-devices. In the experiment, we propose to utilize the novel two dimensional nano-materials to realize the third-order nonlinearity enhancement of the nano-devices, and to implement the optical femtosecond pulse laser to perform the pump-probe experiment, achieving the ultrafast and low-power control on the devices.

光波长路由纳米器件能够使不同波长的光传播到不同位置，是实现光子芯片的关键。然而两个方面的因素制约了此类器件的发展：一方面，尚缺少通用的计算方法指导此类器件的设计；另一方面，对此类器件的超快速低功率全光调控至今难以实现。本项目旨在开发对金属和介质纳米结构都适用的通用计算方法，用于光波长路由纳米器件的设计，对此类纳米器件的设计有重要指导意义。实验上，提出利用新型二维纳米材料实现器件三阶非线性增强，利用飞秒激光脉冲泵浦探测系统，实现对光波长路由纳米器件的超快速低功率调控。

以光子为信息载体的集成纳米光子器件在光通信、光信息处理、光计算等领域有着广泛的应用。光路由纳米器件能够将不同的入射光信号（波长、偏振等）分离并引导到不同的输出端口，是光子芯片的核心组成部分。随着信息技术和大数据时代的发展，对集成度的要求越来越高，表现在要求器件尺寸更小、带宽更大、损耗更低等。然而，传统的基于光子晶体、光栅、表面等离激元、光学微腔等结构设计的光路由纳米器件难以同时满足上述系列要求。长期以来，研究人员在全光纳米器件设计过程中，通常需要对已知物理模型和确定的器件结构进行优化，为了得到性能最佳的器件，需要人工多次优化结构参数，消耗大量计算资源和时间，且优化过程由于受已有结构影响存在严重的局限性，限制了此类器件的进一步发展和实际应用。.在该项目中，经过多次探索，将有限元方法与遗传算法结合，成功地发展出一套设计片上路由纳米器件的智能算法，该算法适用于不同结构形状、不同工作波段、不同输出端口，对金属和介质都适用。在实验上采用聚焦离子束刻蚀系统的微纳加工技术制备出样品，并利用光纤耦合显微系统对器件进行了测试表征。对波长和偏振路由测试结果与理论计算相符，器件尺寸为一个波长量级（其中近红外波段的波长路由器件为1.4 μm × 1.8 μm，偏振路由器件为970 nm × 1240 nm），是目前国际上尺寸最小的片上路由器件，发表在Optica，Advanced Optical Materials, Laser Photonics & Reviews, Physical Review Applied, Optics Letters等国际重要期刊上。实现了项目书的研究目标，圆满完成了各项研究目标任务。研究成果以论文和专利的形式呈现，在国际重要期刊发表学术论文9篇（SCI一区7篇）。成功申请国家发明专利4项（有2项已经授权）。