“極端光學研究創(chuàng)新團隊”胡小永教授和龔旗煌院士在微納全光交換器件的研究中取得新進展。芯片上全光交換能夠將任意一個輸入波導中的信號光切換到任意一個輸出波導，是實現(xiàn)超高速超寬帶信息處理芯片和光計算的最核心器件之一，其實用化要求的重要指標是：超低能耗、超快響應、片上觸發(fā)、多波長(或寬帶)操作。實現(xiàn)機理是利用三階非線性光學Kerr效應，即信號光(或控制光)誘導折射率改變。一方面，由于通常的半導體材料和有機聚合物材料的三階非線性光學系數(shù)相對較小，單純依靠硅基光子學和有機光子學很難實現(xiàn)片上低能耗超快全光交換;另一方面，由于貴金屬材料內在的歐姆損耗導致表面等離激元較大的傳輸損耗，單純利用表面等離激元很難實現(xiàn)大規(guī)模片上超快光交換陣列。因此，目前國際上在該領域的實驗研究中存在的難題是，難以在集成光子回路中實現(xiàn)超低能耗、超快響應、片上觸發(fā)、多波長操作的全光交換。

　　研究論文提出一種復合增強三階非線性新方法、以及表面等離激元-介電光子納米復合結構新構型，獲得了同時具有皮秒量級超快響應和巨大三階非線性系數(shù)的多組分納米復合材料nano-Au:(IR140:PDTP-DFBT)，并且將表面等離激元和介電光子學的優(yōu)勢相結合，以具有強光場局域和場增強效應的表面等離激元納米復合腔作為開關單元，表面等離激元納米復合腔提供片上表面等離激元感應透明，能提供4個工作波長;以超低損耗氮化硅狹縫光波導作為連接波導，制備出由氮化硅狹縫光波導連接4個表面等離激元納米復合腔陣列所構成的片上2×2全光交換器件，利用上層控制波導的倏逝場觸發(fā)開關單元來實現(xiàn)片上觸發(fā)的全光交換的功能。將全光交換的控制光閾值光功率降低4個數(shù)量級，控制光強降低到450 kW/cm2，同時保持63 ps的超快時間響應。這樣實現(xiàn)了超低能耗、超快響應、片上觸發(fā)、多波長操作的全光交換器件。

　　研究論文于2016年8月21日發(fā)表在重要期刊Advanced Optical Materials上(Zhen Chai, Yu Zhu, Xiaoyong Hu, Xiaoyu Yang, Zibo Gong, Feifan Wang, Hong Yang, Qihuang Gong, “On-chip optical switch based on plasmon-photon hybrid nanostructure-coated multicomponent nanocomposite”, Advanced Optical Materials Vol.4, No. 8, 1159-1166 (2016))，并被選為同期的封面文章。博士生柴真為論文第一作者。Advanced Optical Materials期刊同期評述這項工作“為克服實現(xiàn)超大規(guī)模集成光子回路和芯片面臨的內在材料限制開辟了一條道路，還為非線性光學和量子光學的基礎研究提供了一個芯片上實驗室平臺”。該研究工作還被WILEY出版集團科技網(wǎng)站Materials Views China以“表面等離激元與光子學融合：芯片上超快全光交換新突破”為題進行了專題評述。

　　研究工作得到國家973項目、介觀物理國家重點實驗室、“2011計劃”量子物質科學協(xié)同創(chuàng)新中心、極端光學協(xié)同創(chuàng)新中心等的資助。