苏州市科学技术局

美国普渡大学研究人员开发出一种新的等离子氧化材料,有望带来超快全光通讯技术,至少比传统技术要快10倍。相关论文发表在近期美国光学协会的《光学》杂志上。
光通信是用激光脉冲沿光纤来传输信息,用于电话服务、互联网和有线电视;而全光技术无论是数据流还是控制信号都是光脉冲,不用任何电信号来控制系统。论文第一作者、博士生纳萨尼尔金赛说,对数据传输来说,能调制反射光的量是必要条件,我们能设计一种薄膜使反射光增加或减少,利用光反射的增减来编码数据,反射的变化会导致传输的变化。
研究人员证明了铝掺杂氧化锌制造出的光学薄膜材料是可调制的。他们用铝掺杂氧化锌,在氧化锌中浸满了铝原子以改变材料的光学性质,使它在特定波长下变得像一种金属,而在其他波长下像高电阻介质。
AZO薄膜的折射率接近于零,它能利用电子云状的表面等离激元来控制光。脉冲激光会改变AZO的折射率,从而调制反射光的量。这种材料能在近红外光谱范围工作,可用在光通讯中,并与互补金属氧化物半导体兼容。
研究人员的设想是利用这种材料来创造一种全光等离子调制器,或叫光学晶体管。在电子设备中,硅基晶体管负责开关电源、放大信号。光学晶体管是用光而不是电来执行类似任务,会使系统运行大大加速。
用脉冲激光照射这种材料,材料中的电子会从一个能级移动到更高能级,留下空穴,并最终与这些空穴再次结合。晶体管开关的速度受限于完成这一周期的时间。在他们的AZO薄膜中,这一周期约为350飞秒,比晶体硅要快约5000倍。把这种速度提升转化到设备中,至少比传统硅基电子设备要快10倍。

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“2017中国光学十大进展”揭晓

AZO薄膜的折射率接近于零,它能利用电子云状的表面等离激元来控制光。脉冲激光会改变AZO的折射率,从而调制反射光的量。这种材料能在近红外光谱范围工作,可用在光通讯中,并与互补金属氧化物半导体兼容。

清华大学在基础研究类中两项入选


清华新闻网3月17日电
3月13日晚,中国激光杂志社在上海浦东召开“2017中国光学十大进展”发布会,来自清华大学、浙江大学、中科院上海光机所等机构的20项成果获此殊荣。

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获奖代表与颁奖嘉宾合影。图片来源:中国激光

评选委员会副主任、上海光机所研究员周常河代表评选委员会公布了2017中国光学十大进展入选论文名单。评选委员会主任范滇元院士、中科院上海光机所所长李儒新院士等向获奖代表颁发了奖杯和证书。清华大学电子系主任黄翊东教授作为获奖代表发言。

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黄翊东教授发言。

清华大学入选的2项成果分别是:

清华大学电子系黄翊东教授团队刘仿副教授研制出片上集成自由电子光源,在国际上首次实现了无阈值切伦科夫辐射。该成果颠覆了传统自由电子光源的形式,也使得在芯片上研究飞行电子与微纳结构的相互作用成为可能。

黄翊东教授课题组于2004年开始微纳结构光电子器件的研究,在微纳结构光电子物理及制作工艺、测试技术上积累了国际领先优势。课题组刘仿副教授带领课题组博士生肖龙等人,在对人工双曲超材料中切伦科夫辐射研究过程中发现,在双曲超材料中无论电子速度多慢都可以产生辐射,即可以实现无阈值的切伦科夫辐射。

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(a)片上集成切伦科夫辐射源,(b)电子显微镜照片:片上平面电子发射源、双曲超材料、表面等离子激元周期纳米狭缝。

为验证这一重大发现,课题组成员经过两年多的不懈努力,连续攻克了片上平面电子发射源、双曲超材料、表面等离子激元周期狭缝等纳米结构制作和测试的诸多瓶颈难点,让电子从几十纳米曲率半径的钼尖端发射出来后,在芯片表面保持40纳米距离直线飞行200微米,最终观测到了无阈值的切伦科夫辐射。辐射波长为500~900纳米,电子能量仅为250~1400电子伏特,比目前报道的同类实验所需几十万电子伏特的电子能量降低了2~3个数量级。实验获得了200纳瓦的辐射光输出功率,与其它利用纳米结构获得的切伦科夫辐射相比,输出功率高了2个数量级以上。

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无阈值切伦科夫辐射的实验测试结果。

清华大学电子系宁存政教授课题组将单层二碲化钼和硅基纳米臂腔结合,在国际上首次实现了室温运转的二维材料纳米激光器。这一结果对硅基激光和激子极化激元激光等研究具有重要意义。

清华大学电子系宁存政教授领导的课题组结合多年来开展的纳米激光研究经验,利用厚度只有0.7纳米的单层二碲化钼作为增益材料,以一个宽度仅300多纳米、厚度200多纳米的硅纳米臂腔作为激光器谐振腔。课题组发现,在上述二维材料中,电子和空穴的结合能非常高,可形成稳定的激子态,具有较高的发光效率。硅基纳米臂腔具有超高的光学品质因子,而二碲化钼的激子辐射波长在硅材料内几乎没有吸收。因而,二维材料和硅基纳米臂腔的“强-强”结合,是将激光器运转温度提升到室温的重要原因。

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基于二维材料的纳米激光器的结构示意图。

网状结构示意单层二维材料,底下是一个用作激光腔的硅纳米悬臂。

此研究需要制作尺寸精准的纳米悬臂结构,并在悬臂上刻蚀出大小不同的一维圆孔阵列,同时将只有单层的二维材料精准地转移到纳米悬臂结构上,这对纳米加工和纳米操作技术提出了巨大挑战。宁存政教授带领青年教师李永卓等人攻克了一系列困难,终于在世界上首次实现了二维材料纳米激光的室温运转。

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纳米线波导实现光放大的示意图,纳米线的扫描电子显微镜照片。

纳米激光器研究对基础研究和实际应用都有重要意义。首先,二维材料作为最薄的光学增益材料,已被证明可以支持低温下的激光运转,但是这种单层分子材料是否足以支持室温下的激光运转,在科技界尚存疑虑。室温运转是绝大部分激光实际应用的前提,因而新型激光的室温运转在半导体激光发展史上具有指标性意义。另外,由于二维材料中极强的库伦相互作用,电子和空穴总是以激子态出现,因而这种激光实际上与一种新型的激子极化激元的玻色-爱因斯坦凝聚密切相关,是基础物理领域目前最为活跃的课题之一。

另外8项入选基础研究类重大光学研究进展的分别是:北京大学发现的光子动量转换的“混沌高速路”;中科院上海光机所研发的全光驱动、产生强太赫兹辐射的“微型波荡器”;
南开大学利用寡聚物材料的互补吸光策略构建的具有宽光谱吸收特性的叠层有机太阳能电池器件;中山大学合作设计能谷光子晶体,获得新型能谷-赝自旋相互作用,并实现了赝自旋和拓扑调控;东南大学在开放系统中实现宇称-时间对称的量子行走,并观测到新型一维拓扑保护边界态;国防科技大学的广义磁反射镜;华中科技大学基于轨道分辨高次谐波光谱的阿秒尺度分子核动力学探测;南京大学发现三维狄拉克半金属薄膜材料可作为制备高性能中红外脉冲激光器的理想开关材料。

入选应用研究类10大光学研究进展的分别是:北京大学研制成功新一代微型双光子荧光显微镜;浙江大学首次实现纳米照明片上大视场无标记远场纳米显微成像;国家纳米科学中心研制成功分子自旋光伏器件;华中科技大学研制的基于非铅钙钛矿单晶的X射线探测器;浙江大学合作实现亚波长全光模拟运算;中科院新疆理化成功研制新一代深紫外非线性光学晶体材料;上海交通大学研制成功硅基集成大范围连续可调光缓存/延迟芯片;中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所实现超材料吸收器结构与微流通道一体化集成的折射率传感器方案;中科院化学研究所提出了基于有机回音壁微腔的隐藏光子学条形码的概念和设计方法;北京交通大学在超窄带响应的倍增型有机光电探测器的研究中取得了新进展。

编辑:华山

美国普渡大学研究人员开发出一种新的“等离子氧化材料”,有望带来超快全光通讯技术,至少比传统技术要快10倍。相关论文发表在近期美国光学协会的《光学》杂志上。

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