新型纳米材料使可重写的集成纳米光子电路成为可能

德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员开发了一种混合纳米材料，能够对光学元件进行写入、擦除和重写操作。研究人员认为，这种纳米材料及开发技术可以用来创造新一代的光学芯片和电路。在杂志《Nano Letters》发表的研究中，该德克萨斯团队描述了如何通过从等离子体表面开始创建他们的新型混合纳米材料的过程。表面等离子体光子学是研究利用光子撞击金属表面时产生的电子密度振荡的一门学科。这些类似波的振荡电子被称为表面等离子体激元。

在这种情况下，金属表面由覆盖了嵌入有光感特性分子的聚合物层的铝纳米颗粒构成。

这些光致变色分子能够和光发生量子相互作用，使的分子变得透明或不透明。在德克萨斯研究人员创造的光子电路中，金属等离子体表面和光致变色分子代表两个量子系统。在这个设计中，两个量子系统之间的相互作用或耦合是非常强的。通过利用这些现象，研究人员创造了一个能够控制光的方向的波导，对集成光子电路的设计至关重要。

研究人员首先使用绿色激光在纳米材料中创建了他们的波导。然后，他们能够使用UV光线擦除该波导，接着他们使用绿色激光重新写入波导图案。 研究团队认为，这是人类首次能够使用全光学技术来重写波导。

“在我们的工作中，我们用混合等离子体波导作为一个量子系统，并将分子添加到聚合物作为第二个量子系统，” Linhan Lin，该研究的共同作者之一，在与IEEE Spectrum的电子邮件采访中解释道。“一旦这两个量子系统之间发生强耦合作用，我们只需使用UV紫外线照射样品，就能朝两个不同的新方向改变混合等离子体波导的谐振频率。”

根据Lin的说法，当样品被UV紫外线照射的瞬间，混合等离子体波导在该谐振频率下就不能工作了，或者换个说法，波导被擦除了。一旦绿色激光照射在样品上（分子变得透明），谐振频率将返回初值。“通过该途径，我们获得了波导的工作方式，所以说我们创建了波导，”Lin补充道。

当然，该可重写光学系统的概念不是全新的; 它是以CD和DVD这类光学存储介质为基础的。但是，CD和DVD需要庞大的光源，光学介质和光检测器来工作。 这里开发的可重写集成光子电路的优点是可以应用在2-D材料上。

“为了开发可重写的集成纳米光子电路，人们必须能够将光限制在二维（2-D）平面内，其中光可以在平面中进行长距离传输，而且在其传播方向，幅度，频率和相位上被任意控制，“ Yuebing Zheng，领导这项研究的一位德克萨斯大学教授，在采访中说到。“我们的材料是一种混合物质，使开发可重写的集成纳米光子电路成为可能。“

一些工程应用需要等到这些可重写的集成纳米光子电路成熟完善。Lin解释说，要将这项技术应用到实验室之外，需要提高这种可重写设备的稳定性，同时延长其使用寿命。 此外，还需要使混合等离子体波导的工作频率与片上通信频率匹配。

Zeng补充说：“我们的目标是开发超越波导的可重写光学元件，这将导致可重写光学滤波器，信道下降滤波器，延迟线，传感器，激光器，调制器，色散补偿器等的出现。 这些都是未来光子集成电路的关键组件。”