硅-聚合物复合非线性光子晶体全光开关的研究

All-optical switching is of vital importance for the realization of all-optical signal processing, on-chip optical interconnect and optical computation. However, it is difficult to achieve ultrafast, low-power and integrated all-optical switching. By introducing highly nonlinear polymer materials into two-dimensional silicon photonic crystals (PCs) slab and photonic crystal nanobeams (PCN), we construct the nonlinear PC with compound materials. Taking advantage of the field enhancement effect in microcavities, large Kerr coefficient and ultrafast response speed of polymer, ultrafast and low-power all-optical switching can be realized. It is expected that he switching single pulse energy will be in the femto-joule order and the switching time will be in the femto-second order. We will theoretically investigate the silicon-polymer hybrid PCs embedding metallic nanoparticles and explore the potential application in realizing all-optical switching. We will fabricate silicon-polymer hybrid PC microcavities by the micro-fabrication method. The ultrafast shift of the resonant wavelength will be examined by the cross-polarized reflectivity method combining with the pump-probe technique. This research will bring out some new designs and insights for the realization of all-optical integration and circuits.

全光开关对于实现全光信号处理和芯片上的光互连、光计算至关重要。然而，目前的全光开关还难以同时实现超快速、低功率和可集成化。本项目提出以硅基二维平板光子晶体和纳米梁结构为主体，引入具有优异克尔非线性的聚合物，研究硅-聚合物复合非线性光子晶体全光开关。充分利用微腔中的场增强效应，聚合物超快的响应时间和大的克尔系数，目标实现开关单脉冲能量达到飞焦量级，开关时间达到飞秒量级。同时，探索设计新型的内嵌有金属纳米颗粒的硅-聚合物复合纳米梁结构全光开关。实验上制备硅-聚合物复合光子晶体微腔结构，利用正交偏振反射光谱测量方法，结合泵浦-探测技术测量共振波长的超快移动。本项目的成功对实现高性能的全光器件集成和全光回路具有重要的理论价值和实际意义。

片上全光信息处理、全关计算与全光互连离不开高性能的可集成的全光开关。本项目基于硅-聚合物复合物非线性光子晶体结构探索实现低泵浦能量和超快响应的全光开关。通过仿真设计与理论分析，基于硅基光子晶体纳米梁与纳米梁微腔侧耦合结构实现可调控的Fano共振，通过利用光子晶体纳米梁光子带隙边缘模式作为连续态，实现连续态可调的Fano共振。通过设计具有狭缝（Slot）型的纳米梁微腔结构，可以实现折射率改变敏感的Fano共振，探测折射率改变的灵敏度可达到778 nm/RIU（RIU，单位折射率）。这种周期结构与微腔结构侧耦合产生Fano共振的方法，可以推广到金属-介质-金属波导结构中，同样可实现可调控的Fano共振。通过把具有优异光学非线性的聚合物引入硅基纳米梁微腔，同时利用Fano共振陡峭的线型特征，我们在硅-聚合物复合非线性光子晶体中同时实现开关能量达到百飞焦的量级、开关时间达到百飞秒的量级。其中，对于双异质结型的微腔结构，腔内的开关脉冲能量为760 fJ，开关时间为900 fs；而对于具有狭缝与孔渐变的微腔结构，输入单脉冲能量为790 fJ，开关时间为423 fs。本项目在实验上制备高质量的硅基光子晶体结构，更进一步地，我们探索制备硅基超构表面结构，并在理论上探讨硅-聚合物复合材料超构表面的全光开关。在理论上探索内嵌金属纳米颗粒的硅-聚合物复合等离子-光子晶体结构的光学性质。我们提出的硅-聚合物复合非线性光子晶体全光开关，可同时实现低的泵浦能量和超快的开关时间，具有结构紧凑，与半导体工艺CMOS相兼容的特点，有利于光子器件的集成，有望在实现切实可行的可集成的全光开关方面提供新的解决思路和解决方案。