西北工大在2D半导体材料和3D材料中时实

前美国贝尔实验室负责人约翰·沙利文·梅奥（JohnSullivanMayo）认为，光子学之于21世纪，好比电子学之于20世纪。

随着大数据时代的到来，信息存储与控制速度均面临摩尔定律瓶颈。近年来，光子学正以惊人的速度发展，科研工作者也将注意力从传统电子器件转向了速度更快、能耗更低的光子器件。与电子调控类似，对光子行为达到电子器件对电子行为般的精准调控，是实现未来数据传输与运算的一项关键技术。

在这种情况下，光学调制器应运而生。目前，常见的商用光学调制器主要有电光调制器和声光调制器等。为满足大数据时代对高性能器件不断增长的需求，打破传统调制器速度的限制，超小尺寸、超快响应速度、超高效率、超宽带的全光调制器是未来全光芯片和器件发展的必然趋势，尽管全光芯片的技术难关亟待突破。

当下，绝大多数全光调控方法利用非相干过程对光的强度信息进行调制，其调控速度、调制深度及工作带宽等性能指标有待进一步发展。除强度信息外，光信号还具有相位、频率、偏振等自由度。

光的偏振信息也包含手性信息，例如左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束。手性现象在自然界广泛存在，是一种基本属性，这种特殊的对称性已在多门学科中得到广泛应用。从微观尺度的手性分子，人的左手与右手，到宏观宇宙中的螺旋型星系，手性现象可谓无处不在。

最近，在一篇发表于Light:ScienceApplications的论文里，研究者利用光的手性在二维半导体材料与三维材料中，同时实现了三次谐波的全光相干调控。这种全新的手性相干调控方法突破了基于二次谐波的全光调控对材料选择的限制，具有普适性、高性能、易操作等特点，更有利于未来全光芯片的集成。

相关论文的题为《具有晶体对称性的手性非线性光学的相干调制》（Coherentmodulationofchiralnonlinearopticswithcrystalsymmetry），阿尔托大学电子与纳米工程系博士后章毅担任一作兼通讯，阿尔托大学电子与纳米工程系的WangYadong博士和SunZhipei教授担任共同通讯作者[1]。

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相关论文（来源：Light:ScienceApplications）

多位审稿人对论文工作给出了积极正面的评价，比如，其中一位审稿人说到：“总的来说，这项工作是有趣的，技术上是合理的，并有可能适用于依赖于这种低维材料平台的各种纳米光子应用。”

最初提出这个想法的时候，章毅曾和同事讨论：他认为这种光调制的方式与光学斩波器并无二致。事后发现他在描述问题时，注重强调了最终结果，但却没能很好地表述背后的核心思想，即手性非线性光学过程中的偏振选择特性，以及潜在的应用价值。

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章毅（来源：章毅）

因此，任何研究内容都需要构造一个好的故事，理清现象背后的物理本质，便于审稿人和读者更好地理解研究者想要传达的内容。

据悉，该研究的想法受到NaturePhotonics文章的启发，其利用线偏振光束偏振方向去匹配单原子层晶体的晶轴方向，并同时选择沿特定方向出射的二次谐波实现了全关调制器。

为推动全光控制与计算的进一步发展，设计紧凑、高效、超快、超带宽的高性能全光调制器是非常关键的一环。

结合激发光偏振态和晶体对称性，课题组实现了手性三次谐波的相干调控。这种调控方法简单高效，具有非常高的实用性。值得一提的是，该项目从提出想法、实验设计到完成论文撰写总共约半年时间。

具体来说，在这项工作中，该团队通过非线性过程的手性选则定则，实现了手性非线性光学的相干调制。

这种高性能调制的具体表现包括：完美调制深度（~%）、超快响应速度（受限激发光脉宽，约飞秒）、超小尺寸（单层二维材料，横向尺度约几十微米，厚度约0.7纳米）、无工作宽带限制（只需满足角动量守恒定律）等。

研究结果表明，其可选择的工作材料范围更为宽广，因此很有希望取代现行基于二次谐波的商用光学自相关仪，实现对飞秒、阿秒脉冲时间宽度的测量。

根据角动量守恒定律，高性能相干调控不仅适用于具有类似对称性的其它材料，也适用于更高阶非线性过程，利用调制后输出信号光的自旋角动量，可探究单原子层尺度上自旋轨道耦合等物理过程。

此外，高性能的全光调控有望在新型光电器件中扮演重要角色，比如，光互连、激光显示、全光计算以及量子通信等领域。

基于非线性光学的手性选择定则，课题组还实现了对三次谐波强度和偏振态的相干调控。接下来，其将更进一步实现对非线性光学相位的精准相干调控，并推动这一技术在纳米光子器件中的应用研究。

据介绍，章毅是四川南充人，目前是芬兰阿尔托大学的博士后（欧盟玛丽居里学者）。他也是西北工业大学级本科生，年7月取得光信息科学与技术专业的学士学位，同年保送西北工业大学直接攻读光学工程的博士学位，年6月取得博士毕业。

博士期间，他的主要研究内容为矢量涡旋光束角动量的转换与调控，期间曾获年度第十五届王大珩光学奖高校学生光学奖，年陕西省优秀博士学位论文。

年秋至年初，章毅在新加坡南洋理工大学做博士后，主要从事快速单像素光谱测量技术开发及其在生物光子学中的应用研究。

年3月至今，即在芬兰阿尔托大学做博后期间，他主要从事结构光束（如具有角动量的光束）在二维材料中的新物理现象及纳米光子器件的研究。

对于未来他说：“一定会回国。目前计划先完成‘欧洲地平线’框架下玛丽·居里行动计划博士后项目，预计在年6月结束该项目。”

参考资料：

1.Zhang,Y.,Bai,X.,AriasMuoz,J.etal.Coherentmodulationofchiralnonlinearopticswithcrystalsymmetry.LightSciAppl11,().

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