北理工在全光路由納米器件研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2019-10-16 供稿：物理學(xué)院
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近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院張向東教授團(tuán)隊(duì)的路翠翠特別副研究員同張向東教授和北京大學(xué)物理學(xué)院胡小永教授合作，提出利用智能算法實(shí)現(xiàn)全光納米器件的方法，實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上尺寸最小的片上光波長(zhǎng)路由器件。該成果發(fā)表在光學(xué)領(lǐng)域的頂級(jí)期刊美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)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(jì)算等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。光波長(zhǎng)路由納米器件能夠?qū)⒉煌娜肷涔獠ㄩL(zhǎng)分離并引導(dǎo)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(shù)和大數(shù)據(jù)時(shí)代的發(fā)展，對(duì)集成度的要求越來越高，表現(xiàn)在要求器件尺寸更小、帶寬更大、損耗更低等。然而，傳統(tǒng)的基于光子晶體、光柵、表面等離激元、光學(xué)微腔等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的波長(zhǎng)路由納米器件難以同時(shí)滿足上述系列要求。長(zhǎng)期以來，研究人員在全光納米器件設(shè)計(jì)過程中，通常需要對(duì)已知物理模型和確定的器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，為了得到性能最佳的器件，需要人工多次優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，消耗大量計(jì)算資源和時(shí)間，且優(yōu)化過程由于受已有結(jié)構(gòu)影響存在嚴(yán)重的局限性，限制了此類器件的進(jìn)一步發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用。
北京理工大學(xué)物理學(xué)院張向東教授團(tuán)隊(duì)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(jié)合的智能算法，打破已有結(jié)構(gòu)限制，能夠預(yù)測(cè)未知的新型結(jié)構(gòu)，在全參數(shù)空間自動(dòng)探索尋優(yōu)，得到滿足光子芯片要求的片上波長(zhǎng)路由納米器件，并且對(duì)任意光學(xué)材料都適用。他們成功設(shè)計(jì)并在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了超小型寬帶易集成的光波長(zhǎng)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(guó)際上最小的片上光波長(zhǎng)路由納米器件。利用該智能算法能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)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(shí)省力在短時(shí)間內(nèi)方便地設(shè)計(jì)出任意線性光學(xué)材料(介質(zhì)和金屬等)、不同通道、不同結(jié)構(gòu)單元數(shù)量或尺寸的各種波長(zhǎng)路由器件。此外，器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制備，適合片上集成應(yīng)用。
該研究工作為納米光子波長(zhǎng)路由器件的通用設(shè)計(jì)提供了一種新的方法，能夠改變?nèi)藗兺ǔ５脑O(shè)計(jì)納米光子器件的思路，將極大地促進(jìn)納米光子集成器件的發(fā)展，以及在高集成度光子芯片中的應(yīng)用。北京理工大學(xué)2018級(jí)碩士生劉舟慧、南昌大學(xué)2016級(jí)本科生劉曉宏，與北京理工大學(xué)2016級(jí)本科生肖致遠(yuǎn)為共同一作，北京理工大學(xué)路翠翠副研究員為通訊作者。合作者還包括清華大學(xué)物理系劉永椿副教授和南昌大學(xué)理學(xué)院王慧琴教授。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃培育項(xiàng)目、青年項(xiàng)目、重點(diǎn)項(xiàng)目等多個(gè)基金委項(xiàng)目以及北京理工大學(xué)青年教師學(xué)術(shù)啟動(dòng)計(jì)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。)
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