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北理工在全光路由纳米器件研究中取得重要进展


  近日,青青草在线视频物理学院张向东教授团队的路翠翠特别副研究员同张向东教授和北京大学物理学院胡小永教授合作,提出利用智能算法实现全光纳米器件的方法,实现了国际上尺寸最小的片上光波长路由器件。该成果发表在光学领域的顶级期刊美国光学学会出版的Optica(IF:9.26)上。

  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。光波长路由纳米器件能够将不同的入射光波长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波长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。

  青青草在线视频物理学院张向东教授团队的特别副研究员路翠翠等人,提出了一种将有限元方法与遗传算法结合的智能算法,打破已有结构限制,能够预测未知的新型结构,在全参数空间自动探索寻优,得到满足光子芯片要求的片上波长路由纳米器件,并且对任意光学材料都适用。他们成功设计并在实验上实现了超小型宽带易集成的光波长路由纳米器件。工作在近红外通讯波段,器件尺寸只有1.4μm × 1.8μm,这是目前国际上最小的片上光波长路由纳米器件。利用该智能算法能够同时实现宽工作波段、高透射率、多通道大信息容量输出;并且可以省时省力在短时间内方便地设计出任意线性光学材料(介质和金属等)、不同通道、不同结构单元数量或尺寸的各种波长路由器件。此外,器件结构简单,易于制备,适合片上集成应用。

  该研究工作为纳米光子波长路由器件的通用设计提供了一种新的方法,能够改变人们通常的设计纳米光子器件的思路,将极大地促进纳米光子集成器件的发展,以及在高集成度光子芯片中的应用。青青草在线视频2018级硕士生刘舟慧、南昌大学2016级本科生刘晓宏,与青青草在线视频2016级本科生肖致远为共同一作,青青草在线视频路翠翠副研究员为通讯作者。合作者还包括清华大学物理系刘永椿副教授和南昌大学理学院王慧琴教授。该工作得到了国家自然科学基金重大研究计划培育项目、青年项目、重点项目等多个基金委项目以及青青草在线视频青年教师学术启动计划的支持。

  文章信息:Zhouhui Liu,? Xiaohong Liu,? Zhiyuan Xiao,? Cuicui Lu,* Hui-Qin Wang, You Wu, Xiaoyong Hu, Yong-Chun Liu, Hongyu Zhang, and Xiangdong Zhang, "Integrated nanophotonic wavelength router based on intelligent algorithm", Optica 6, 10, 1367-1373 (2019). (?为共同一作;*为通讯作者。)

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