硅基非对称光传输器件研究

The integrated photonic devices which can introduce asymmetric light propagation have attracted much attention due to rapid growth of demands in all-optical information processing and all-optical logic circuit. The related theoretical and experimental researches thus possess both scientific value and huge potential applications. One of the promising candidates is silicon based photonic devices. Structures working in linear and nonlinear regime are investigated and designed separately to achieve asymmetric light propagation. Experimental fabrications and performance tests are based on the specific designs. In this project, we mainly focus on the mechanisms of spatial mode conversion in linear silicon based structures, and explore the mechanisms of breaking time-reversal symmetry induced by nonlinear effects. Especially, the quantum coupling systems with high optical nonlinear responses are introduced to realize the asymmetric light propagation in low-photon-number regime. Namely, we intend to build Lorentz reciprocal and non-reciprocal systems and to achieve asymmetric light propagation. Moreover, the key performances of such device, including unidirectionality, transmission efficiency, footprint of device, operating bandwidth and operating light power threshold, are also intentionally optimized. To summarize, the goal of this project is to reveal the underlying physics and to obtain the core technology of asymmetric light propagation in integrated silicon based devices with high efficiency, broad bandwidth, ultra-compact structure, and ease of integration. The results will help paving the solid foundation for future on-chip all-optical integration.

可集成的非对称光传输器件，在全光信息处理领域有着广泛的应用需求，相关的理论和实验研究，具有极其重要的科学价值和应用前景。本项目以线性、非线性硅基光子材料为主要研究体系，对基于硅基光子结构实现非对称光传输的物理机制、器件结构进行研究、设计，并进行实验测试和表征。重点研究线性硅基光子结构各阶导模空间模式转换和空间非对称引入的二极管效应；研究非线性硅基光子结构打破时间反演的机理，探索引入量子耦合系统，在少光子层次上实现非对称传输。本项目重点解决基于硅基光子结构构建洛伦兹互易和非互易体系，并实现非对称光传输的物理机制问题，整体优化硅基非对称光传输器件的工作带宽、对比度、集成度和工作阈值等关键性能参数。以掌握高效、宽带、极小尺寸、易集成为主要特征的硅基非对称传输器件的理论与技术为主要目标，为芯片级全光集成和全光逻辑奠定坚实基础。

集成硅基非对称光传输器件，是芯片级全光互联和全光逻辑的关键组成部分。本项目围绕实现非对称光传输的物理机制展开，以新型微纳光子结构为研究和设计对象，以提升器件集成度、工作带宽、对比度、效率和工作阈值等关键性能为研究目标。具体研究内容和成果如下：.1）基于打破空间对称性的波导模式转换设计了多种硅波导非对称光传输器件。组成器件功能区域的微纳光子结构包括：像素化的空气/硅数字超材料，基于表面等离子体的金属分束器，亚波长光栅耦合结构，硅波导部分深度刻蚀和光子晶体等。上述这些设计在保证透射率(~50%)和对比度(~20dB)的前提下，对集成度明显提升，特别是数字超材料设计将功能区域尺寸降低至波长以下。.2）提出了数种硅波导内模式转换的方案。基于空气/硅数字超材料设计，实现了波导内所有可支持TE模式的高效相互转换；通过引入高折射率微结构，在功能区域内部实现了能流分束和相位走离；设计了亚波长光栅非对称耦合结构，实现了TE0向高阶模式的高效转换。.3）研究了适用于硅波导光子器件的反向设计方法。其中关键的折射率描述方法包括：几何投影法描述连续分布，密度模型描述离散化分布和多项式法描述功能区域边界。结合有限元仿真，此三种方法均可联动基于灵敏度的移动渐近线优化算法，高效地得到模式转换和非对称传输设计。.4）研究了硅材料超表面及其应用。基于硅纳米粒子的电磁四极子共振模式，设计了对周期不敏感的四极子惠更斯超表面；研究了硅材料超表面的相位控制机理，并基于传播相位设计了具有超宽带大角度分束性能的均匀超表面。.5）在腔量子电动力学框架下，研究了量子点与表面等离子体腔、光子分子及多模腔之间的耦合特性。采用多尺度研究手段，对过渡金属硫族化合物和石墨烯的生长机制、结构特性和光电特性进行了研究，为进一步研究二维材料和波导耦合打下了基础。.项目执行期内，上述相关研究，取得了一批原创研究成果，发表高水平SCI期刊论文32篇，参加国际会议7人次，申请国家发明专利2项。