基于二维纳米材料的新型集成化光缓存基础研究

Based on the urgent demand of optical buffer in optical communication system and all-optical network, we propose theoretical and experimental study of optical buffer based on two-dimension nano materials due to their large dispersion property. The main drawbacks of present slow light studies, including loss, bandwidth, dynamic control, are compensated with the advantages of two-dimensional nano materials which greatly improve the slow light performance. The topics include: modeling the Kubo formula of two-dimensional nano materials from the quantum theory; design slow light waveguide from the knowledge of previous photonic crystal slow light waveguide; and optimization of the designed results. Furthermore, motivated by the latest research, we will focus our attention on the use of the bonded substrate to reduce the loss of two-dimensional nano materials, and improve the slow light coupling efficiency. Finally,experimental verification of the slow light waveguide based on graphene and the demonstration of the dynamic control will be performed. we aimed to reduce light speed to 1/100 of the vacuum, as well as a bandwidth greater than 20nm. Because slow light waveguide is one of the fundamental structure of optical buffer, our project may help to break the bottlenecks in present research of optical buffer. The results prove that two-dimensional nano materials are ideal for slow light applications, promoting the prosperity and development of optical buffer technology.

本项目瞄准光通信和全光网络交换中对光缓存(慢光)的迫切需求，提出用二维纳米材料的大色散特性来构造慢光的思路，从模拟和实验两方面系统并深入地研究基于二维纳米材料的慢光波导。本项目提出用二维材料的优势来应对慢光中一直未能解决的三大关键问题（损耗、带宽、动态可控），预期大幅提高慢光的性能。本项目拟用汲取了量子信息的久保公式理论来建模二维材料，借鉴光子晶体的知识来设计宽带慢光波导并进行优化。在此基础上，结合国际最新研究动态，重点研究利用键合衬底减小二维材料慢光损耗，和提高外部光耦合进二维材料（只有原子厚度）的耦合效率。最后，实验验证基于石墨烯的慢光波导，演示动态可调的光缓存，力争将光速减慢到真空中的1/100且慢光带宽大于20nm。由于慢光波导是构成光缓存器件的核心基础结构，本项目的研究成果将为突破光缓存研究的若干瓶颈提供创新的解决方案，证明二维材料是理想的慢光材料，促进光缓存技术的繁荣发展。

本文系统的研究了用二维材料石墨烯来构建光缓存器件, 从理论和实验两方面设计了新型光缓存器件并优化了性能，具体包括：.一、 论证了二维材料石墨烯的大色散特性具有增强慢光的效果：通过在石墨烯表面或者石墨烯衬底上设计谐振单元周期结构，可以大大增强慢光波导的性能，获得常规材料无法达到的性能指标。本研究实验论证了在鱼骨状光栅波导上铺设石墨烯材料，可以将慢光的带宽提升一个数量级以上（>10nm）,相关的结果发表在一区期刊Photonics Research上面；本研究发现通过在石墨烯表面设计谐振结构激发表面等离激元，可以将慢光因子增大1~2个数量级，相关的结果发表在美国光学学会期刊Optics Letters上面。.二、 虽然石墨烯具有增强慢光的性能，但是研究发现，石墨烯材料本身在光通信波段本身的损耗非常大，尤其是石墨烯用于激发表面等离激元模式，巨大的损耗使得慢光只能传输很小的一段距离。为了克服这一难题，本研究提出另一种延迟线的慢光波导结构，使石墨烯工作在损耗较低的区域，只利用石墨烯的高度可调性来获得动态可调的慢光。本研究基于耦合模理论设计了七级耦合环结构，可以分别控制光在耦合环里面传输的路程从而控制信号的延时，并进行实验验证。相关的结果获得国际会议青年科学家奖和一项后续国家自然基金面上项目，并正在申请专利，准备优化实验结果后投稿一区期刊。.三、 研究了石墨烯慢光效应在增强有源光器件方面的作用（有源器件不需要传输大的距离，损耗的影响较小）：本研究论证了利用石墨烯表面等离激元的慢光效应，可以将硅光调制器的调制性能提升3个数量级，实验验证30um长的狭缝调制器的调制深度可达0.03dB/um，达到了近期nature论文的水平；本研究提出利用石墨烯慢光效应来增强三缝波导光电探测器的探测能力，实验验证了电探测器的光功率约为0.14dBm ，响应度为2.9mA/w，相关结果发表在19年的IEEE Select Topics in Quantum electronics上面。