我國硅基光子集成器件領(lǐng)域取得系列研究進(jìn)展

    表面等離子體波導(dǎo)能夠局域光在亞波長尺寸（突破光衍射極限），被視為未來大規(guī)模光集成電路的候選者，是目前片上光互連技術(shù)的研究熱點(diǎn)。超表面和石墨烯作為一種新穎的表面結(jié)構(gòu)和二維材料已經(jīng)被越來越多的關(guān)注和研究，尤其是在光電子器件領(lǐng)域。

    武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室王健教授領(lǐng)銜的多維光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室（MDPL：Multi-Dimensional Photonics Laboratory）致力于硅基光子集成器件設(shè)計研制及其在光信號處理中的應(yīng)用研究，近來在這個領(lǐng)域取得了系列研究進(jìn)展。

    最近，在王健教授的指導(dǎo)下，碩士研究生張仲來設(shè)計了一種long-range hybrid wedge plasmonic (LRHWP) waveguide; 比起之前設(shè)計的hybrid wedge surface plasmon polariton (SPP) waveguide結(jié)構(gòu)，在具有幾乎相同的模式限制效果的情況下，該波導(dǎo)可以增加一個量級的光傳播距離。該工作“Long-range hybrid wedge plasmonic waveguide,”發(fā)表在 Scientific Reports 上。此外，博士生桂成程設(shè)計了一種新型的楔形hybrid plasmonic terahertz (THz) waveguide，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有長傳播距離以及非常小的亞波長尺寸模式限制的特征。該工作“Wedge hybrid plasmonic THz waveguide with long propagation length and ultra-small deep-subwavelength mode area,” 發(fā)表在Scientific Reports 上。本科生向超設(shè)計了一種深亞波長尺寸的非常緊湊的有源混合等離子體環(huán)形諧振器，可應(yīng)用于激光領(lǐng)域。該結(jié)構(gòu)具有很高的品質(zhì)因子（Q）、很小的模式面積（V）、高Purcell 因子 (Fp)、低閾值增益以及亞微米級的非常小的尺寸。該工作“Proposal and numerical study of ultra-compact active hybrid plasmonic resonator for sub-wavelength lasing applications,”發(fā)表在Scientific Reports 上。另外，博士生杜竫設(shè)計了一種V型天線陣列，實(shí)現(xiàn)了一到四路軌道角動量（OAM：orbital angular momentum）的廣播，此結(jié)構(gòu)具有小于-15 dB串?dāng)_的特性。該工作“Design of on-chip N-fold orbital angular momentum multicasting using V-shaped antenna array,”發(fā)表在Scientific Reports 上。

圖1 (a) 設(shè)計的long-range hybrid wedge plasmonic (LRHWP) waveguide結(jié)構(gòu)；(b) 楔形hybrid plasmonic terahertz (THz) waveguide結(jié)構(gòu); (c) 環(huán)形諧振器的三維和二維結(jié)構(gòu)示意圖及模式的能流密度分布；(d) 基于V型天線陣列OAM廣播的概念和原理。

    石墨烯作為一種二維材料，由于其特殊的能帶結(jié)構(gòu)使得它具有很多優(yōu)異的光電子性質(zhì)，同時具有很高的三階非線性�；�于石墨烯的四波混頻已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，包括最早的石墨烯放在玻璃基片上，后續(xù)的石墨烯和光子晶體結(jié)合，石墨烯和普通單模光纖、微納光纖結(jié)合等。在王健教授的指導(dǎo)下，通過和武漢大學(xué)付磊教授、博士生曾夢琪合作，博士生胡曉轉(zhuǎn)移石墨烯到普通單模光纖端面，實(shí)驗(yàn)上證實(shí)基于石墨烯增強(qiáng)四波混頻的高級調(diào)制格式（如QPSK）信號波長轉(zhuǎn)換。該工作“Graphene-assisted nonlinear optical device for four-wave mixing based tunable wavelength conversion of QPSK signal,”發(fā)表在Optics Express上。石墨烯不僅具有很高的三階非線性，還具有電吸收可調(diào)節(jié)性（調(diào)節(jié)石墨烯費(fèi)米能級的位置）。結(jié)合相干完美吸收（CPA）效應(yīng)，在太赫茲波段，博士生胡曉設(shè)計了一種基于石墨烯的開口諧振圓環(huán)結(jié)構(gòu)，通過改變石墨烯的費(fèi)米能級來改變吸收入射光的強(qiáng)弱，繼而實(shí)現(xiàn)高速可調(diào)節(jié)的CPA。該結(jié)構(gòu)可應(yīng)用太赫茲波段的高速調(diào)制器、探測器、傳感器等。該工作“High-speed gate-tunable terahertz coherent perfect absorption using a split-ring graphene,”發(fā)表在Optics Letters上。

圖2 (a) 石墨烯制備工藝流程圖、石墨烯增強(qiáng)四波混頻效應(yīng)光譜圖、QPSK波長轉(zhuǎn)換BER曲線及星座圖; (b) 太赫茲波段基于石墨烯開口諧振圓環(huán)可調(diào)節(jié)CPA工作原理。