微纳光子学

微纳光子学主要研究在微纳尺度下光与物质相互作用的规律及其光的产生、传输、调控、探测和传感等方面的应用。微纳光子学亚波长器件能有效提高光子集成度，有望像电子芯片一样把光子器件集成到尺寸很小的单一光芯片上。纳米表面等离子体学是一新兴微纳光子学领域，主要研究金属纳米结构中光与物质的相互作用。它具有尺寸小，速度快和克服传统衍射极限等特点，有望实现电子学和光子学在纳米尺度上的完美联姻，将为新一代的光电技术开创新的平台。金属-介质-金属F-P腔是最基本的纳米等离子体波导结构，具有良好的局域场增强和共振滤波特性，是制作纳米滤波器、波分复用器、光开关、激光器等微纳光器件的基础。但由于纳米等离子体结构中金属腔的固有损耗和能量反射，F-P腔在波分复用器应用中透射效率往往较低，这给实际应用带来不利。

最近，科研人员提出了一种提高表面等离子体F-P腔波分复用器透射效率的双腔逆向干涉相消法。该方法能有效避免腔的能量反射，使入射光能完全从通道端口出射，极大增强了透射效率。此设计方法还能有效的抑制噪声光的反馈。同时，科研人员利用耦合模方法验证了这种设计方法的可行性。这种波分复用器相比目前报道的基于F-P单腔共振滤波的波分复用器的透射效率提高了50%以上。相关的成果于2011年6月20日发表在Optics Express上，论文题目为：Enhancement of transmission efficiency of nanoplasmonic wavelength demultiplexer based on channel drop filters and reflection nanocavities。

“新兴光器件及集成技术专题报告会”上发布《纳米光子学对光子技术更新换代的重要作用》精彩演讲。报告摘要;从上世纪70年代开始，光子学进入微光子学阶段，经过40年的研究，现在已经比较成熟。以半导体激光器为重点的研究已经逐渐转向对激光控制问题的研究和激光应用的研究。同时，光子技术已经进入光电子技术阶段，其特点是研究开发以电控光、光电混合的器件和系统。光电子技术已经逐步占领了电子技术原有的阵地。它的应用领域已经扩大到人类社会生活的各方面，如光通信与光网，平板显示、半导体照明、光盘存储、数码相机等。光电子产业迅速发展壮大起来。在经济发达国家，光电子产业的总产值已经可以与电子产业相比，甚至超过电子产业。近十年来，国际学术界开始大力发展纳光子学及其技术，使光电子技术与纳米技术相结合，对现有光电子技术进行升级改造。

与国际上科技发达的国家相比，目前我国微纳光子学的研究还不算落后，这从我国在微纳光子学领域发表的论文数量和投稿的杂志级别就可看出。但是我国的光子学研究论文大部分是理论方面的，大多数是跟踪国外的。由于国内缺乏先进的科学实验平台，特别是缺乏制备微纳光子学材料和器件的工艺条件，实验方面的论文比较少（除了少数与国外合作研究的论文），创新的思想无法得到实验验证。微光子学方面的情况尚且如此，在纳光子学方面，由于对仪器、设备、工艺和技术的要求更高，与国外的差距正在加大。

在光电子技术方面，由于国际经济的全球化和我国的改革开放形势，吸引跨国公司将制造、加工基地向我国转移。21世纪初光电子企业的大公司纷纷落户我国。而且大量资金投向我国沿海经济发达地区（如广东、上海和京津地区），建立起一大批中外合资或独资企业。但是这些外国企业或技术人员，控制着产业的高端技术，对我国实行技术垄断，使我国的光电子技术至今还处于“下游”，成为外向加工企业。大多数光电子企业采用这样的生产模式：购买国外的芯片进行器件封装，或者购买国外的器件进行系统组装。目前我国光电子企业严重缺乏核心技术和自主知识产权，无法抵御国际经济危机，面临着很大的风险。

为了加快我国的微纳光子学与相关光子技术的发展，我国应该集中投入一部分资金，凝聚一批高水平研究人才，在某些光电子企业集中的地区，依托光子学研究有实力的单位，采用先进的管理模式，建设我

国的先进的微米、纳米加工制造中心和微米、纳米光子学实验研究平台，开放为广大高校、研究所和企业的研究人员服务。只有这样才有可能在最短的时间内，使我国的光子学、光子技术以及光电子产业实现飞越式的发展，赶超国际先进水平，为我国的经济建设做出重大贡献。

【摘要】：现代社会已进入光信息化时代,人们对信息的需求也在急剧增加。在目前使用的光纤通信系统中,由于在信号转换方面存在着较多的光—电、电—光转换器件,大大影响了信息的快速传输,造成了通信系统中的“信息瓶颈”。为了解决这个问题,采用具有超快响应速度的全光开关构建全光网络成为必然。全光开关通常都基于非线性光学原理工作,其中非线性折射型全光开关,主要利用了材料的三阶非线性折射特性,即通过一束控制光引起材料折射率的变化,使得信号光在其中通过时产生相位的变化,从而实现光开关的开关动作。评定材料是否适用于全光开关有两个品质因子:W=n_2I/α_0λ和T=βλ/n_2,其中n_2为非线性光学折射率,I 为测试光强,α_0为线性吸收系数,λ为测试波长,β为非线性吸收系数,材料必须满足|W|1且|T|1才能用于全光开关。因此这类全光开关对材料性能的基本要求是:1、在工作波段有大的三阶非线性折射率,从而可使用光功率密度较低的控制光,降低对器件造成的损伤;2、在工作波段具有小的线性和非线性吸收,进而降低信息传输损耗,减小热效应的影响,提高开关速度,增强系统可靠性和稳定性;3、具有超快的非线性光学响应速度,实现与全光网络的匹配;4、具有稳定的物理化学性质,易于与基质材料复合并可进行波导器件的制备。国际上关于全光开关器件的研究,既包括技术和结构方面的创新与改进,也包括新的作用机理和材料方面的寻找和探索。由于目前还没有找到性能全面优异理想的适用于全光开关器件研制的非线性光学材料,因而,全光开关仍未进入实用化,探索新型的具有优良三阶非线性光学性能、高品质因子的非线性光学材料还是目前国际上最主要的任务。本课题组一直致力于寻找适用于全光开关的三阶非线性光学材料,通过对大量材料设计与实验研究发现,过渡金属的DMIT类材料具有大的平面共轭结构,易发生极化和电荷转移,金属和有机体系之间的电荷转移可以进一步增强材料的三阶非线性光学性质。同时还注意到该类材料分子中的阴离子是富含硫的离子基团,硫原子通过S…S相互作用,可在分子间形成有效的轨道重叠,使得材料的介电常数小,电子迁移率高,响应速度快,在全光开关的应用上有潜在价值。由于全光开关要求材料具有大的非线性折射和小的非线性吸收,如何从影响材料非线性光学性质的众多因素中寻找规律,进一步提高材料的三阶非线性折射率,降低线性及非线性吸收就显得尤为重要。本论文在前期工作基础上,集中选择了具有较小非线性吸收的Cu(dmit)_2和Au(dmit)_2系列材料为研究对象,采用Z 扫描方法分别对材料在溶液和薄膜中的三阶非线性光学性质进行了较系统的性能研究,从内部机理探讨了影响材料非线性折射和非线性吸收的各项因素,其目的是为了寻找到提高材料的三阶非线性折射率,降低非线性吸收的方法,为材料的器件化提供理论依据。本论文研究工作主要体现在如下几个方面: 第一,研究了Cu和Au的一系列DMIT类配合物材料中,中心金属离子及外部阳离子对材料非线性折射率和非线性吸收的影响,发现其三阶非线性光学性质与中心金属离子及结构密切相关。我们发现Cu(dmit)_2和Au(dmit)_2在全光通信波段(1.3～1.6μm)具有较小的线性及非线性吸收,因此,本论文选择了Cu(dmit)_2及Au(dmit)_2作为全光开关研究的候选对象,其中,TPPPADTA、TPEPADT、TPPPADT等为国际上首次报道的新型光学材料。采用Z扫描方法分别对Cu和Au的DMIT类材料的三阶非线性光学特性进行系统的研究,得到了材料的三阶非线性极化率、非线性折射率、非线性吸收系数、双光子吸收截面和激发态吸收截面等性能参数,并结合测试样品的浓度计算得到了材料的分子二阶超极化率。通过对材料性质的深入研究发现,获得了一些重要的研究结果: A.DMIT配合物材料的非线性折射性质,与中心金属离子有密切关系。具有相同金属离子的材料表现出相同的非线性折射性质,在1064 nm处,浓度为1×10~(-3)mol/L的Cu(dmit)_2/乙腈材料均表现出自散焦