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反向设计集成非线性光开关

导读

大规模光通信在包括大数据分析和云计算在内的各个领域发挥重要的作用。光开光作为光通信的核心元件，目前主要通过热效应、磁效应或电光效应实现，这造成了器件尺寸大，响应速度慢，工艺复杂等问题。2022年8月深圳大学闫培光教授团队基于SiN平台，通过反向设计实现了具有优异开关特性的集成非线性光开关。通过在反向设计区域覆盖MoS2材料，进一步提升了器件的非线性特性。论文第一作者陈浩博士，该工作以题名“Inverse-Designed Integrated Nonlinear Optical Switches”发表在国际顶级光学期刊Laser & Photonics Reviews 上。

封面图：（a）反向设计集成非线性光开关结构图；（b）SEM表征图

研究背景

随着摩尔定律的逐渐失效，微纳光子器件为未来光通信提供了新的实现途径。光信号从输入端到输出端通过多个光路由器和交叉点，这将会造成大量的累积损耗。因此，小型化高性能的光开关是构建大规模光通信的核心器件之一。

研究亮点

本文利用反向设计成功设计了一种基于SiN平台的非线性集成光开关。器件在不同入射功率下展现出优异的非线性调制能力，其调制深度分别为13.56%和9.09%。另外，实验中发现该类型器件对TE偏振光和TM偏振光在整个功率范围内具有相反的传输变化趋势，该特性有望应用于量子信息处理等领域。通过制备SiN/MoS2混合集成光开关光，实验中有效解决了SiN材料在高功率下的非线性饱和限制，有望进一步拓展该类型器件的应用领域。

图1.a) TM偏振光在不同功率下的透射率，插图为反向设计结构示意图，具有一个输入端口（红色）和两个输出端口（蓝色和绿色）； b) 分别比较端口2在TM和TE偏振入射光下的透射曲线。梯度背景颜色表示不同的非线性光学响应状态。

总结与展望

该论文通过反向设计SiN/MoS2结构，实现了新型的反向设计集成非线性光开光，并且在调制深度、尺寸以及效率上取得突破。为具有低非线性效应的材料平台上光开关的研究提供新思路。通过探索光开关的偏振相关性，得到不同偏振态在整个功率范围内呈现出相反的传输变化趋势，开辟了其在光子量子信息处理等领域的潜在应用，为未来大规模集成光通信、数据中心等领域等应用提供了重要支撑。

该研究成果的文章题目为“Inverse-Designed Integrated Nonlinear Optical Switches”，发表在Laser & Photonics Reviews，文章链接为DOI: 10.1002/lpor.202200254。

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