與p-n結在微電子器件中的作用一樣，光學二極管在光子回路中的作用至關重要。不同于電子的運動行為，光子傳輸通常是互易的，而且光子是不帶電荷、沒有靜質量的玻色子，其傳輸行為很難通過一般手段進行操縱。如何打破光子傳輸的時間反演對稱性，實現適用于片上集成的非互易光學元件一直是集成光電子領域面臨的難題。
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目前打破光傳輸互易性的方法主要是利用特定材料的磁光效應，通過外加強磁場來實現光學二極管功能。但是磁光響應速度慢，強磁場體積龐大且難以作用到器件的局部區域，因此傳統的磁光效應尚無法應用到集成光子芯片。發展新型非磁光學二極管和隔離器，在光學集成領域多年來一直沒有實質性突破。
中國科學院化學研究所光化學重點實驗室研究員趙永生課題組的研究人員在前期研究工作中發現，有機微納晶體材料在激發狀態下所形成的定域在單個分子上的Frenkel激子，相比于無機材料中的Wannier激子，具有更高的結合能和更長的激發態壽命，因此容易與光子耦合，從而形成激子極化激元（Exciton Polariton）（J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 7276-7279；Acc. Chem. Res. 2014, 47, 3448-3458; Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 7125-7129）。這是一種半光半物質的新的量子態，兼具光子和激子的屬性。雖然光子本身的行為是很難進行人為操縱的，但是激子極化激元的形成，使得人們有可能通過對激子的操縱來間接地操縱光子（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激子本是可以看作電偶極子，因此外加電場可以引起激子擴散、分離、復合等行為的改變。
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最近他們與中國科學技術大學，清華大學及美國西北大學的研究人員合作，首次利用靜電場對激子擴散行為的影響，在單根有機半導體納米線中打破了光傳輸的對稱性。他們將單根有機單晶納米線波導材料置于一個外加電場中，電場與激子偶極相互作用，產生一個額外的作用勢能，從而引起激子密度沿電場矢量方向重新分布。其結果是原本向納米線的兩個相反方向上等量對稱傳輸的激子，在電場作用下發生了重新分配，而使得納米線的兩端輸出的激子數目不再對等。由于激子與光子處于耦合狀態，因此電場的引入可以同時打破光傳輸的對稱性，實現電場控制的光學二極管功能（圖 A,B）。
研究發現，這樣產生的光二極管效應對電場的響應速度非常快（<3 ns，圖F）。通過改變電場強度，可以對光學二極管行為進行調控；當電場方向發生反轉時，不對稱性也相應地發生反轉。在此基礎上，研究人員對有機納米線光學材料施加一個高頻脈沖交流電場，當電場方向發生快速轉換時，光子向兩邊傳輸的不對稱性可以進行快速切換，利用一個控制信號，在納米線的兩端得到相位相反的交變輸出信號，從而實現了高頻率、快速響應的單刀雙擲微納光開關（圖1G）。這是首次在微納結構中通過外加靜電場調控光子行為來實現這一功能，這一結果為實現對光子學功能器件的遠程控制，優化集成光子器件結構提供了重要借鑒，相關結果發表于Science Advances 2018, 4, eaap9861。
文章來源：化學研究所
IEEE Spectrum
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