基于各向异性自组装碳纳米管材料的全光器件及其非线性光学特性研究

三阶非线性光学器件的非线性效率一直是限制全光信息技术发展的瓶颈问题。高非线性纳米材料如碳纳米管的出现为这个问题的解决带来了新的契机，但现有基于随机取向碳管材料的研究尚未能将纳米材料的特殊微观特性与宏观特性有机地结合起来。本项目提出探索在光波导结构表面实现定向排列的高密度碳层，并研究具有各向异性宏观光学特性的非线性碳管层与光场相互作用的机理。充分利用定向排列碳管组装密度高、碳管对沿长径方向的非线性响应最大的特点，增强可能实现的非线性效应。通过将SOI等波导的光场约束能力与碳管的高非线性特性相结合实现具有超高非线性系数的器件。本项目还提出了采用流体环境下结合光场辅助沉积的碳管原位自组装的新思路及方法，以解决在形貌复杂的微纳尺度光波导结构表面有选择性、快速实现碳管定向固定的问题。本研究可为全光信息技术提供关键器件的解决方法，并为其它非线性器件的理论及实验研究提供技术积累。

高非线性材料及器件技术在全光信息、超快与非线性光学技术发展方面近年来发挥着日益重要的作用。本课题围绕非线性集成器件、碳纳米管、石墨烯等新兴碳基非线性光学材料及其光学应用开展了多方面的研究工作，从器件理论仿真、特性表征方法和器件系统应用等多个方面分别对基于碳基非线性纳米材料的微纳复合集成光子器件的光学特性、基于碳纳米管材料及其光学非线性效应的脉冲生成方法、基于光异步采样的器件非线性响应的大时窗超快表征方法、非线性集成波导器件在全光信息技术中的应用等几个方面开展了深入研究，建立了对于不同材质、不同形貌的碳基纳米非线性材料微纳器件的有效仿真分析方法与平台，实验验证了基于碳纳米管非线性器件的不同维度复用的超短脉冲产生新方法，实现了基于频域复用超短脉冲光源和光异步采样方法的非线性器件特性测试方法，建立了微纳高非线性集成波导器件的实验测试与应用平台，为从软件仿真到器件测试及系统应用的实验研究等不同方面开展基于碳纳米管等非线性纳米材料的光子器件研究奠定了良好基础。.本课题通过对研究内容进行的深入理论与实验研究，从分析具有不同形貌的石墨烯混合波导出发，提出了通过不同的脊型、狭缝等波导形貌增强波导的场强束缚能力、在纳米材料与高折射率材料基底之间增加低介质缓冲层等结构利用狭缝效应在保持场强束缚能力的同时大大降低波导传输等新结构与设计思路；在采用光致吸附效应制作碳纳米管非线性锁模器件的基础上，提出了利用纳米器件非线性特性，在激光谐振腔内实现多维度复用的超短脉冲产生的新机理；提出了基于复用双频超短脉冲的光异步采样新方法，实现了对纳秒级超长时间窗口内的非线性器件亚皮秒级超快响应的有效测量；提出了基于集成硅基高非线性波导器件的光频梳生成反馈控制方法，实现了光频梳的可控调谐。.本项目探索并形成的多种石墨烯介质金属混合的新型波导结构与相应器件的仿真设计方法与模型、多维度复用超快脉冲光源、器件非线性响应的大动态范围测量表征方法、非线性硅基集成器件应用平台为今后的非线性、集成器件研究能够提供有效的技术支撑。.本课题共发表期刊与会议论文24篇（其中Applied Physics Letters, Optics Express等重要SCI期刊收录6篇，国际会议特邀报告1篇，其他国际会议论文18篇），申报发明专利9项（其中国际PCT专利申请1项，获得专利授权1项）。毕业博士生2人，硕士生3人。