The Innovation | 基于自主调控光机械行为实现超宽光谱响应高效全光器件

目前全光器件的实现主要依赖光学非线性或对称性破缺结构，对波长和偏振等光学特性具有较强的选择性，因此适用范围受限。本研究基于光热响应软材料及其自调控机械响应，提出了对不同波长和偏振态的光均适用的全光二极管、晶体管与逻辑门，为全光系统提供了新思路。

导 读

全光器件对于通信、传感、检测、计算等领域具

高性能全光器件的研究对于推动通信、传感、检测、计算等领域的发展具有重要意义，但现有的全光器件基本是基于非线性光学效应或者对称性结构破缺来实现，存在仅适用于特定的波长或偏振态，适用性受限，且整体效率偏低的问题。本工作受到自然生物体通过感知-驱动-反馈回路，实现向光性、趋化性等自我调节行为，有效完成与周围的能量进行宽带能量及多模式交互的启发，发展利用高效宽带吸光剂的光热响应材料宽波段自调控光驱动的策略，有望实现具有广泛适用性、高效与自调节能力的全光系统。

图1 图文摘要

本工作使用聚异丙基丙烯酰胺（PNIPAAm）水凝胶与液晶弹性体作为响应材料。此类材料在温度高于临界温度时体积收缩，产生形变。我们受光纤结构启发，设计了外层为驱动层，内层为空心或透明芯层的响应光波导结构。当响应结构一侧受到光照时，温度梯度导致的不对称收缩变形引起结构向受光方向弯曲。在自阴影负反馈机制的作用下，驱动结构最终可自适应达到对准入射光方向的平衡状态。当入射光作用于响应光波导结构的内侧壁面时，由于两侧边界的约束作用，驱动结构会产生单点或多点的自适应变形，使入射光从内侧通路中通过。由于结构的对称性，上述响应过程对不同方向的入射光均适用。此外，由于该光影响材料的宽波段高效吸收特性，自适应响应运动可以在不同波长与偏振光作用下发生。基于上述响应光波导结构，我们设计了全光二极管、晶体管与逻辑门多种全光器件。

图2 光热响应结构的自调控机制

全光二极管是单向导光器件，允许光信号在特定方向上以较低损耗传播，而在反方向上被抑制，实现类似电子二极管的光学非互易传输功能。如图3所示，当输入光从底部入射时，输入光作用于驱动结构内侧壁面，驱动结构沿入射光方向发生自适应形变，入射光通过驱动结构内层，二极管导通。而输入光从顶部入射时，光束作用于驱动结构外侧壁面。虽然驱动结构也发生向光弯曲，但由于驱动层自身厚度的影响，输入光会在壁面与顶端发生散射，从而引起光关断。基于这种光二极管，我们在输入光功率为310mW时实现了34.99±0.94 dB的隔离度。该光二极管对于不同功率的输入光，输出功率具有二极管单向导通特性。由于驱动结构具有自调控能力，所以在输入发生微小扰动，比如光照位置或者入射角度发生变化时，光二极管均可以自主达到新的稳态。

图3 全光二极管作用机制与特性

全光晶体管是通过一束光信号来调控另一个光信号通断或者放大的器件。为了实现该功能，我们设定恒定输入光平行于光波导结构且从内层通过，控制光作用于驱动结构外侧壁面。当控制光关闭时，驱动结构不发生形变，恒定输入光可从中通过；而控制光开启时，驱动结构向光照侧弯曲，恒定输入光被顶部遮挡，使输出实现开到关的切换。这种设计也可以实现一束较小功率的光来调控另一更大功率的光。例如，当使用驱动层为PNIPAAm水凝胶，内层为聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶的双层响应结构时，在控制功率为110 mW的条件下，导通状态输出功率为656 mW，可实现5.96倍的放大比。

图4 全光晶体管作用机制与特性

基于晶体管为基本构建模块，我们进一步开发了用于执行布尔运算的全光逻辑门。对于单个模块单元，定义顶部输入端口A为恒定输入作用时，输出信号为侧向信号B的非门运算结果。多个单元的组合可以实现与门、或非门、或门和与非门等更为复杂的基本逻辑运算。

图5 全光逻辑门单元作用机制与基本逻辑运算实现方法

总结与展望

本研究基于自调控光热响应光波导结构，通过外层驱动结构在外侧光照和内侧光照下的自适应响应特性，设计了全光二极管、晶体管以及模块化可重构的逻辑门。该设计方法适用于不同波长、不同偏振态的光，具有广泛适用性，且具有较高的整体效率，为自主光学处理器、软体机器人和智能材料系统提供了新思路。

责任编辑

骆 群   中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所

李 虎   中国科学院大学

张 超   浙江大学