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纳米复合材料实现光波导器件的全光学重复可擦写

注:文末有研究团队简介及本文作者科研思路分析


光学波导器件是光学通讯的重要元器件,这类光波导器件通常采用传统的半导体工艺制备,如光刻、电子束曝光、物理气相沉积等,具有较高的制备成本及工艺难度;另一方面,传统光学波导元件一旦制备成型,便无法擦除修正。随着信息科学技术的迅猛发展,人们对光学元器件的快速、低成本制备及可重复擦写充满了期待。


近来,美国德克萨斯大学奥斯汀分校机械工程系郑跃兵教授(点击查看介绍)及其带领的研究团队,研究开发了新的纳米复合材料,首次实现了全光学技术制备、擦除光学波导器件,该技术可广泛应用于新一代光学芯片的设计与开发。


德州大学研究团队研发的纳米复合材料,将低成本的铝纳米颗粒阵列嵌入一层300 nm的有机薄膜(聚甲基丙烯酸甲酯,PMMA)中。在光激发的条件下,该复合材料可同时兼具贵金属纳米颗粒的表面等离子激元和光学波导的属性,成为等离子激元—波导混合模。为了实现该混合模波导的可擦写,研究者将一种光感变色的螺吡喃(spiropyran)分子掺入PMMA薄膜中。在紫外光的照射下,螺吡喃分子在绿光波段产生激子,并与混合模波导发生强耦合作用,随后他们将波导工作频率调制到其他波段,从而实现了光波导的擦除;反之,在绿光的照射下,螺吡喃分子呈现光学透明性质,使混合波导有效工作,从而实现波导器件的写入。


在该工作中,研究者在紫色光照射后的样品中利用绿色激光扫描或投射改变复合波导的谐振频率,将器件图案直接写入芯片上,再利用紫色光照射,实现波导器件的擦除。该技术充分利用了光学技术的高效和可控性,可实现不同复杂器件的重复性写入和擦除。


该研究团队表示,要将这项技术应用到半导体工业中,首先需要提高该复合材料的光学稳定性,延长其使用寿命。 此外,还需要调控嵌入纳米颗粒阵列的光学属性,使波导的谐振频率与通讯频率相匹配。郑跃兵教授认为,超越传统波导的可重写光波导的出现,将会进一步引导其他可擦写光学元器件的研发,如光学滤波器、传感器、激光器、调制器等。这将主导光子集成电路的未来发展方向。


这一成果近期发表在《Nano Letters》上,文章的第一作者是该课题组成员林琳涵王明松


该论文作者为:Linhan Lin, Mingsong Wang, Xiaoling Wei, Xiaolei Peng, Chong Xie, Yuebing Zheng

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Photoswitchable Rabi Splitting in Hybrid Plasmon–Waveguide Modes

Nano Lett., 2016, 16, 7655–7663, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b03702


郑跃兵教授简介


郑跃兵,德克萨斯大学奥斯汀分校机械工程系助理教授。2010年在宾夕法尼亚州立大学取得博士学位,2010年至2013年在加州大学洛杉矶分校从事博士后工作,2013年起就职于德州大学奥斯汀分校。


研究领域包括纳米等离子体激元,微纳米胶体材料的光学操控、组装,超材料的设计与应用,Lab-on-a-chip器件的研发及应用。在Advanced Materials,Nano Letters,ACS Nano,Chemical Science等国际顶级期刊上发表学术论文70余篇。研究工作被Science,IEEE Spectrum,Science Daily,Eurekalert,Phys.org, OSA-OPN, Materials Today, Laser Focus World, Discovery Channel,网易等专题报道。


郑跃兵

http://www.x-mol.com/university/faculty/38310

课题组主页

http://zheng.engr.utexas.edu


科研思路分析


Q:这项研究的最初目的是什么?或者说想法是怎么产生的?

A:我们开始这项研究的初衷是希望通过光学波导模和等离子激元共振模的交合作用,有效提高光学谐振腔的质量因子,降低金属纳米颗粒等离子激元共振带来的损耗,从而提高其与活性激子的强耦合作用,实现光学信号的调制。选用螺吡喃分子,则是为了实现强耦合作用的全光学调控,这个理性的设计及后续的研究为这种重复可擦写光波导的研究提供了理想的途径。


Q:在研究中过程中遇到的最大挑战在哪里?

A:本项研究中最大的挑战是纳米混合材料的设计与优化。因为这种等离子体激元—波导复合材料的设计是一个全新的概念,我们需要通过理论结合实验,去研究其内在物理机制,探索其光学特性,从而为后续的研究与应用做准备。


另外,该项研究属于交叉学科的研究,涵盖物理、化学、光学、材料等多个领域。在这项研究中,我们研究团队所展现的团体协助和配合起到了至关重要的作用。


Q:本项研究成果最有可能的重要应用有哪些?哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助?

A:该研究成果将可能在未来的光学芯片研究中获得应用,除了光学波导器件,其他光学元件,包括激光器、传感器、调制器、滤波器等的光学可控重复可擦写,都将对光学芯片技术的革新与信息产业的发展产生重大的影响。


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