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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,北京理工大學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。

  以光子為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并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,為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。

  北京理工大學物理學院張向東教授團隊的特別副研究員路翠翠等人,提出了一種將有限元方法與遺傳算法結合的智能算法,打破已有結構限制,能夠預測未知的新型結構,在全參數空間自動探索尋優,得到滿足光子芯片要求的片上波長路由納米器件,并且對任意光學材料都適用。他們成功設計并在實驗上實現了超小型寬帶易集成的光波長路由納米器件。工作在近紅外通訊波段,器件尺寸只有1.4μm × 1.8μm,這是目前國際上最小的片上光波長路由納米器件。利用該智能算法能夠同時實現寬工作波段、高透射率、多通道大信息容量輸出;并且可以省時省力在短時間內方便地設計出任意線性光學材料(介質和金屬等)、不同通道、不同結構單元數量或尺寸的各種波長路由器件。此外,器件結構簡單,易于制備,適合片上集成應用。

  該研究工作為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。北京理工大學2018級碩士生劉舟慧、南昌大學2016級本科生劉曉宏,與北京理工大學2016級本科生肖致遠為共同一作,北京理工大學路翠翠副研究員為通訊作者。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北京理工大學青年教師學術啟動計劃的支持。

  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). (?為共同一作;*為通訊作者。)

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

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