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北理工在全光路由納米器件研究中取得重要進展


  近日,500万彩票网物理學院張向東教授團隊的路翠翠特別副研究員同張向東教授和北京大學物理學院胡小永教授合作,提出利用智能算法實現全光納米器件的方法,實現了國際上尺寸最小的片上光波長路由器件。該成果發表在光學領域的頂級期刊美國光學學會出版的Optica(IF:9.26)上。

  以光子爲信息載體的集成納米光子器件在光通信、光信息處理、光計算等領域有著廣泛的應用。光波長路由納米器件能夠將不同的入射光波長分離並引導到不同的輸出端口,是光子芯片的核心組成部分。隨著信息技術和大數據時代的發展,對集成度的要求越來越高,表現在要求器件尺寸更小、帶寬更大、損耗更低等。然而,傳統的基于光子晶體、光柵、表面等離激元、光學微腔等結構設計的波長路由納米器件難以同時滿足上述系列要求。長期以來,研究人員在全光納米器件設計過程中,通常需要對已知物理模型和確定的器件結構進行優化,爲了得到性能最佳的器件,需要人工多次優化結構參數,消耗大量計算資源和時間,且優化過程由于受已有結構影響存在嚴重的局限性,限制了此類器件的進一步發展和實際應用。

  北京理工大学物理学院张向东教授团队的特别副研究员路翠翠等人,提出了一种将有限元方法与遗传算法结合的智能算法,打破已有结构限制,能够预测未知的新型结构,在全参数空间自动探索寻优,得到满足光子芯片要求的片上波长路由纳米器件,并且对任意光学材料都适用。他们成功设计并在实验上实现了超小型宽带易集成的光波长路由纳米器件。工作在近红外通讯波段,器件尺寸只有1.4μm × 1.8μm,这是目前国际上最小的片上光波长路由纳米器件。利用该智能算法能够同时实现宽工作波段、高透射率、多通道大信息容量输出;并且可以省时省力在短时间内方便地设计出任意线性光学材料(介质和金属等)、不同通道、不同结构单元数量或尺寸的各种波长路由器件。此外,器件结构简单,易于制备,适合片上集成应用。

  該研究工作爲納米光子波長路由器件的通用設計提供了一種新的方法,能夠改變人們通常的設計納米光子器件的思路,將極大地促進納米光子集成器件的發展,以及在高集成度光子芯片中的應用。500万彩票网2018級碩士生劉舟慧、南昌大學2016級本科生劉曉宏,與500万彩票网2016級本科生肖致遠爲共同一作,500万彩票网路翠翠副研究員爲通訊作者。合作者還包括清華大學物理系劉永椿副教授和南昌大學理學院王慧琴教授。該工作得到了國家自然科學基金重大研究計劃培育項目、青年項目、重點項目等多個基金委項目以及500万彩票网青年教師學術啓動計劃的支持。

  文章信息:Zhouhui Liu,? Xiaohong Liu,? Zhiyuan Xiao,? Cuicui Lu,* Hui-Qin Wang, You Wu, Xiaoyong Hu, Yong-Chun Liu, Hongyu Zhang, and Xiangdong Zhang, "Integrated nanophotonic wavelength router based on intelligent algorithm", Optica 6, 10, 1367-1373 (2019). (?为共同一作;*为通讯作者。)

  文章鏈接:https://doi.org/10.1364/OPTICA.6.001367

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