我國硅基光子集成器件領域取得系列研究進展

    表面等離子體波導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的研究熱點。超表面和石墨烯作為一種新穎的表面結構和二維材料已經被越來越多的關注和研究，尤其是在光電子器件領域。

    武漢光電國家實驗室王健教授領銜的多維光子學實驗室（MDPL：Multi-Dimensional Photonics Laboratory）致力于硅基光子集成器件設計研制及其在光信號處理中的應用研究，近來在這個領域取得了系列研究進展。

    最近，在王健教授的指導下，碩士研究生張仲來設計了一種long-range hybrid wedge plasmonic (LRHWP) waveguide; 比起之前設計的hybrid wedge surface plasmon polariton (SPP) waveguide結構，在具有幾乎相同的模式限制效果的情況下，該波導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，博士生桂成程設計了一種新型的楔形hybrid plasmonic terahertz (THz) waveguide，該波導結構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，可應用于激光領域。該結構具有很高的品質因子（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，博士生杜竫設計了一種V型天線陣列，實現(xiàn)了一到四路軌道角動量（OAM：orbital angular momentum）的廣播，此結構具有小于-15 dB串擾的特性。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) 設計的long-range hybrid wedge plasmonic (LRHWP) waveguide結構；(b) 楔形hybrid plasmonic terahertz (THz) waveguide結構; (c) 環(huán)形諧振器的三維和二維結構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構使得它具有很多優(yōu)異的光電子性質，同時具有很高的三階非線性�；�于石墨烯的四波混頻已經被實驗證實，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合，石墨烯和普通單模光纖、微納光纖結合等。在王健教授的指導下，通過和武漢大學付磊教授、博士生曾夢琪合作，博士生胡曉轉移石墨烯到普通單模光纖端面，實驗上證實基于石墨烯增強四波混頻的高級調制格式（如QPSK）信號波長轉換。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，還具有電吸收可調節(jié)性（調節(jié)石墨烯費米能級的位置）。結合相干完美吸收（CPA）效應，在太赫茲波段，博士生胡曉設計了一種基于石墨烯的開口諧振圓環(huán)結構，通過改變石墨烯的費米能級來改變吸收入射光的強弱，繼而實現(xiàn)高速可調節(jié)的CPA。該結構可應用太赫茲波段的高速調制器、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、石墨烯增強四波混頻效應光譜圖、QPSK波長轉換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)可調節(jié)CPA工作原理。