新型納米材料使可重寫(xiě)的集成納米光子電路成為可能

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究人員開(kāi)發(fā)了一種混合納米材料，能夠?qū)鈱W(xué)元件進(jìn)行寫(xiě)入、擦除和重寫(xiě)操作。研究人員認(rèn)為，這種納米材料及開(kāi)發(fā)技術(shù)可以用來(lái)創(chuàng)造新一代的光學(xué)芯片和電路。在雜志《Nano Letters》發(fā)表的研究中，該德克薩斯團(tuán)隊(duì)描述了如何通過(guò)從等離子體表面開(kāi)始創(chuàng)建他們的新型混合納米材料的過(guò)程。表面等離子體光子學(xué)是研究利用光子撞擊金屬表面時(shí)產(chǎn)生的電子密度振蕩的一門(mén)學(xué)科。這些類(lèi)似波的振蕩電子被稱(chēng)為表面等離子體激元。

在這種情況下，金屬表面由覆蓋了嵌入有光感特性分子的聚合物層的鋁納米顆粒構(gòu)成。

這些光致變色分子能夠和光發(fā)生量子相互作用，使的分子變得透明或不透明。在德克薩斯研究人員創(chuàng)造的光子電路中，金屬等離子體表面和光致變色分子代表兩個(gè)量子系統(tǒng)。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，兩個(gè)量子系統(tǒng)之間的相互作用或耦合是非常強(qiáng)的。通過(guò)利用這些現(xiàn)象，研究人員創(chuàng)造了一個(gè)能夠控制光的方向的波導(dǎo)，對(duì)集成光子電路的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

研究人員首先使用綠色激光在納米材料中創(chuàng)建了他們的波導(dǎo)。然后，他們能夠使用UV光線(xiàn)擦除該波導(dǎo)，接著他們使用綠色激光重新寫(xiě)入波導(dǎo)圖案。 研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這是人類(lèi)首次能夠使用全光學(xué)技術(shù)來(lái)重寫(xiě)波導(dǎo)。

“在我們的工作中，我們用混合等離子體波導(dǎo)作為一個(gè)量子系統(tǒng)，并將分子添加到聚合物作為第二個(gè)量子系統(tǒng)，” Linhan Lin，該研究的共同作者之一，在與IEEE Spectrum的電子郵件采訪(fǎng)中解釋道。“一旦這兩個(gè)量子系統(tǒng)之間發(fā)生強(qiáng)耦合作用，我們只需使用UV紫外線(xiàn)照射樣品，就能朝兩個(gè)不同的新方向改變混合等離子體波導(dǎo)的諧振頻率。”

根據(jù)Lin的說(shuō)法，當(dāng)樣品被UV紫外線(xiàn)照射的瞬間，混合等離子體波導(dǎo)在該諧振頻率下就不能工作了，或者換個(gè)說(shuō)法，波導(dǎo)被擦除了。一旦綠色激光照射在樣品上(分子變得透明)，諧振頻率將返回初值。“通過(guò)該途徑，我們獲得了波導(dǎo)的工作方式，所以說(shuō)我們創(chuàng)建了波導(dǎo)，”Lin補(bǔ)充道。

當(dāng)然，該可重寫(xiě)光學(xué)系統(tǒng)的概念不是全新的; 它是以CD和DVD這類(lèi)光學(xué)存儲(chǔ)介質(zhì)為基礎(chǔ)的。但是，CD和DVD需要龐大的光源，光學(xué)介質(zhì)和光檢測(cè)器來(lái)工作。 這里開(kāi)發(fā)的可重寫(xiě)集成光子電路的優(yōu)點(diǎn)是可以應(yīng)用在2-D材料上。

“為了開(kāi)發(fā)可重寫(xiě)的集成納米光子電路，人們必須能夠?qū)⒐庀拗圃诙S(2-D)平面內(nèi)，其中光可以在平面中進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸，而且在其傳播方向，幅度，頻率和相位上被任意控制，“ Yuebing Zheng，領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的一位德克薩斯大學(xué)教授，在采訪(fǎng)中說(shuō)到。“我們的材料是一種混合物質(zhì)，使開(kāi)發(fā)可重寫(xiě)的集成納米光子電路成為可能。“

一些工程應(yīng)用需要等到這些可重寫(xiě)的集成納米光子電路成熟完善。Lin解釋說(shuō)，要將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)室之外，需要提高這種可重寫(xiě)設(shè)備的穩(wěn)定性，同時(shí)延長(zhǎng)其使用壽命。 此外，還需要使混合等離子體波導(dǎo)的工作頻率與片上通信頻率匹配。

Zeng補(bǔ)充說(shuō)：“我們的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)超越波導(dǎo)的可重寫(xiě)光學(xué)元件，這將導(dǎo)致可重寫(xiě)光學(xué)濾波器，信道下降濾波器，延遲線(xiàn)，傳感器，激光器，調(diào)制器，色散補(bǔ)償器等的出現(xiàn)。 這些都是未來(lái)光子集成電路的關(guān)鍵組件。“