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化学所首次利用静电场在微纳体系打破光传输的对称性

2018-06-07

与p-n结在微电子器件中的作用一样,光学二极管在光子回路中的作用至关重要。不同于电子的运动行为,光子传输通常是互易的,而且光子是不带电荷、没有静质量的玻色子,其传输行为很难通过一般手段进行操纵。如何打破光子传输的时间反演对称性,实现适用于片上集成的非互易光学元件一直是集成光电子领域面临的难题。目前打破光传输互易性的方法主要是利用特定材料的磁光效应,通过外加强磁场来实现光学二极管功能。但是磁光响应速度慢,强磁场体积庞大且难以作用到器件的局部区域,因此传统的磁光效应尚无法应用到集成光子芯片。发展新型非磁光学二极管和隔离器,在光学集成领域多年来一直没有实质性突破。

中国科学院化学研究所光化学重点实验室研究员赵永生课题组的研究人员在前期研究工作中发现,有机微纳晶体材料在激发状态下所形成的定域在单个分子上的Frenkel激子,相比于无机材料中的Wannier激子,具有更高的结合能和更长的激发态寿命,因此容易与光子耦合,从而形成激子极化激元(Exciton Polariton)(J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 7276-7279Acc. Chem. Res. 2014, 47, 3448-3458; Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 7125-7129)。这是一种半光半物质的新的量子态,兼具光子和激子的属性。虽然光子本身的行为是很难进行人为操纵的,但是激子极化激元的形成,使得人们有可能通过对激子的操纵来间接地操纵光子(J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 2880-2883; Adv. Mater. 2012, 24, 1703-1708; Adv. Mater. 2013, 25, 2854-2859; J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 2122-2125; J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 11329-11332.)。Frenkel激子本是可以看作电偶极子,因此外加电场可以引起激子扩散、分离、复合等行为的改变。

最近他们与中国科学技术大学,清华大学及美国西北大学的研究人员合作,首次利用静电场对激子扩散行为的影响,在单根有机半导体纳米线中打破了光传输的对称性。他们将单根有机单晶纳米线波导材料置于一个外加电场中,电场与激子偶极相互作用,产生一个额外的作用势能,从而引起激子密度沿电场矢量方向重新分布。其结果是原本向纳米线的两个相反方向上等量对称传输的激子,在电场作用下发生了重新分配,而使得纳米线的两端输出的激子数目不再对等。由于激子与光子处于耦合状态,因此电场的引入可以同时打破光传输的对称性,实现电场控制的光学二极管功能(图1 A,B)。

研究发现,这样产生的光二极管效应对电场的响应速度非常快(<3 ns,图1F)。通过改变电场强度,可以对光学二极管行为进行调控;当电场方向发生反转时,不对称性也相应地发生反转。在此基础上,研究人员对有机纳米线光学材料施加一个高频脉冲交流电场,当电场方向发生快速转换时,光子向两边传输的不对称性可以进行快速切换,利用一个控制信号,在纳米线的两端得到相位相反的交变输出信号,从而实现了高频率、快速响应的单刀双掷微纳光开关(图1G)。这是首次在微纳结构中通过外加静电场调控光子行为来实现这一功能,这一结果为实现对光子学功能器件的远程控制,优化集成光子器件结构提供了重要借鉴,相关结果发表于Science Advances 2018, 4, eaap9861。

图1 基于电场控制的光子不对称传输实现超快响应单刀双掷光开关

(来源:中国科学院



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