新型纳米复合材料实现光学器件的反复擦写

光学波导器件是光学通讯的重要元器件,这类光波导器件通常采用传统的半导体工艺制备,如光刻、电子束曝光、物理气相沉积等,具有较高的制备成本及工艺难度;另一方面,传统光学波导元件一旦制备成型,便无法擦除修正。随着信息科学技术的迅猛发展,人们对光学元器件的快速、低成本制备及可重复擦写充满了期待。

近来,美国德克萨斯大学奥斯汀分校机械工程系的郑跃兵教授及其带领的研究团队,研究开发了新的纳米复合材料,首次实现了全光学技术制备、擦除光学波导器件,该技术可广泛应用于新一代光学芯片的设计与开发。

德州大学研究团队研发的纳米复合材料,将低成本的铝纳米颗粒阵列嵌入一层300 nm的有机薄膜(聚甲基丙烯酸甲酯,PMMA)中。在光激发的条件下,该复合材料可同时兼具贵金属纳米颗粒的表面等离子激元和光学波导的属性,成为等离子激元—波导混合模。为了实现该混合模波导的可擦写,研究者将一种光感变色的螺吡喃(spiropyran)分子掺入PMMA薄膜中。在紫外光的照射下,螺吡喃分子在绿光波段产生激子,并与混合模波导发生强耦合作用,随后他们将波导工作频率调制到其他波段,从而实现了光波导的擦除;反之,在绿光的照射下,螺吡喃分子呈现光学透明性质,使混合波导有效工作,从而实现波导器件的写入。

新型纳米复合材料实现光学器件的反复擦写-CompositesPlus

在该工作中,研究者在紫色光照射后的样品中利用绿色激光扫描或投射改变复合波导的谐振频率,将器件图案直接写入芯片上,再利用紫色光照射,实现波导器件的擦除。该技术充分利用了光学技术的高效和可控性,可实现不同复杂器件的重复性写入和擦除。

新型纳米复合材料实现光学器件的反复擦写-CompositesPlus

该研究团队表示,要将这项技术应用到半导体工业中,首先需要提高该复合材料的光学稳定性,延长其使用寿命。 此外,还需要调控嵌入纳米颗粒阵列的光学属性,使波导的谐振频率与通讯频率相匹配。郑跃兵教授认为,超越传统波导的可重写光波导的出现,将会进一步引导其他可擦写光学元器件的研发,如光学滤波器、传感器、激光器、调制器等。这将主导光子集成电路的未来发展方向。

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