“極端光學(xué)研究創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”胡小永教授和龔旗煌院士在微納全光交換器件的研究中取得新進(jìn)展,。芯片上全光交換能夠?qū)⑷我庖粋€輸入波導(dǎo)中的信號光切換到任意一個輸出波導(dǎo)，是實(shí)現(xiàn)超高速超寬帶信息處理芯片和光計(jì)算的最核心器件之一,，其實(shí)用化要求的重要指標(biāo)是：超低能耗,、超快響應(yīng),、片上觸發(fā)、多波長(或?qū)拵?操作,。實(shí)現(xiàn)機(jī)理是利用三階非線性光學(xué)Kerr效應(yīng),，即信號光(或控制光)誘導(dǎo)折射率改變,。一方面，由于通常的半導(dǎo)體材料和有機(jī)聚合物材料的三階非線性光學(xué)系數(shù)相對較小,，單純依靠硅基光子學(xué)和有機(jī)光子學(xué)很難實(shí)現(xiàn)片上低能耗超快全光交換;另一方面,，由于貴金屬材料內(nèi)在的歐姆損耗導(dǎo)致表面等離激元較大的傳輸損耗，單純利用表面等離激元很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模片上超快光交換陣列,。因此,，目前國際上在該領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究中存在的難題是，難以在集成光子回路中實(shí)現(xiàn)超低能耗,、超快響應(yīng),、片上觸發(fā)、多波長操作的全光交換,。

　　研究論文提出一種復(fù)合增強(qiáng)三階非線性新方法,、以及表面等離激元-介電光子納米復(fù)合結(jié)構(gòu)新構(gòu)型，獲得了同時具有皮秒量級超快響應(yīng)和巨大三階非線性系數(shù)的多組分納米復(fù)合材料nano-Au:(IR140:PDTP-DFBT),，并且將表面等離激元和介電光子學(xué)的優(yōu)勢相結(jié)合,，以具有強(qiáng)光場局域和場增強(qiáng)效應(yīng)的表面等離激元納米復(fù)合腔作為開關(guān)單元，表面等離激元納米復(fù)合腔提供片上表面等離激元感應(yīng)透明,，能提供4個工作波長;以超低損耗氮化硅狹縫光波導(dǎo)作為連接波導(dǎo),，制備出由氮化硅狹縫光波導(dǎo)連接4個表面等離激元納米復(fù)合腔陣列所構(gòu)成的片上2×2全光交換器件，利用上層控制波導(dǎo)的倏逝場觸發(fā)開關(guān)單元來實(shí)現(xiàn)片上觸發(fā)的全光交換的功能,。將全光交換的控制光閾值光功率降低4個數(shù)量級，控制光強(qiáng)降低到450 kW/cm2,，同時保持63 ps的超快時間響應(yīng),。這樣實(shí)現(xiàn)了超低能耗、超快響應(yīng),、片上觸發(fā),、多波長操作的全光交換器件。

　　研究論文于2016年8月21日發(fā)表在重要期刊Advanced Optical Materials上(Zhen Chai, Yu Zhu, Xiaoyong Hu, Xiaoyu Yang, Zibo Gong, Feifan Wang, Hong Yang, Qihuang Gong, “On-chip optical switch based on plasmon-photon hybrid nanostructure-coated multicomponent nanocomposite”, Advanced Optical Materials Vol.4, No. 8, 1159-1166 (2016)),，并被選為同期的封面文章,。博士生柴真為論文第一作者。Advanced Optical Materials期刊同期評述這項(xiàng)工作“為克服實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模集成光子回路和芯片面臨的內(nèi)在材料限制開辟了一條道路,，還為非線性光學(xué)和量子光學(xué)的基礎(chǔ)研究提供了一個芯片上實(shí)驗(yàn)室平臺”,。該研究工作還被WILEY出版集團(tuán)科技網(wǎng)站Materials Views China以“表面等離激元與光子學(xué)融合：芯片上超快全光交換新突破”為題進(jìn)行了專題評述。

　　研究工作得到國家973項(xiàng)目,、介觀物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,、“2011計(jì)劃”量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等的資助,。