非线性纳米光子电路：三稳态、非稳态多谐振荡器以及混沌发生器- 大数跨境

两江科技评论

2020-04-14

导读：近日，苏州大学高雷教授团队，与特拉维夫大学Pavel Ginzburg团队合作，设计了一种非线性等离激元石墨烯二聚体纳米天线，通过二聚体颗粒的等效集总电路，实现了三稳态多谐振荡器、非稳态多谐振荡器以及

导读

近日，苏州大学物理科学与技术学院高雷教授团队，与特拉维夫大学Pavel Ginzburg团队合作，设计了一种非线性等离激元石墨烯二聚体纳米天线，通过二聚体颗粒的等效集总电路，实现了三稳态多谐振荡器、非稳态多谐振荡器以及混沌发生器，所有这些功能可共存于一个纳米天线中，并可以通过调整驱动场强度，频率和方向来实现它们之间的触发。相关研究工作近期以“Nonlinear Nanophotonic Circuitry: Tristable anRd Astable Multivibrators and Chaos Generator”为题，发表于《Laser & Photonics Reviews》上。该研究扩展了“超电子学”的范例，将非线性动力学模态引入了与光学纳米天线相关联的纳米光子器件中，开发了新一代具有可调节性非线性动力学响应的非线性纳米光子器件。

研究背景

集总光学纳米元件（或超电子学）的概念，与微电子学类似，可作为简易的工具箱来设计各种纳米光子器件，因此引起了广泛的关注。其中，纳米微结构可以等效为纳米电感器、纳米电容器和纳米电阻器。尽管近年来已有的研究主要集中在线性功能上，但微电子器件中的非线性动力学起着至关重要的作用。在微电子学中，非线性电路可用于设计各种器件，例如计时器、逻辑门、分频器、数据存储和信号发生器等。作为非线性电子电路的基石之一，多谐振荡器代表了一大类具有不同种类转换行为的双稳态系统。其中，单稳态多谐振荡器可以将短的窄脉冲转换为具有固定持续时间的宽脉冲，以用于定时功能；双稳态多谐振荡器（也称为触发器）由于具有存储信息的可能性，在当今的计算机存储器和数字电子电路中具有广泛的应用；非稳态多谐振荡器（也称为弛张振荡器，是一种复振器）以周期性的自激振荡模式工作，从而产生非正弦的重复输出信号，可用于产生低频信号，作为函数发生器、电子蜂鸣器、逆变器和开关电源等。此外，在非线性电子电路中，当系统显示出不可预测的动态行为时，将产生确定性混沌态。蔡氏电路便是一个经典示例。由于混沌机制具有非常复杂的动态特征，因此在数据安全处理（如混淆和扩散操作）以及安全密钥的真实随机数生成中具有广泛的应用。

创新研究

基于线性和非线性的器件（例如电阻、电感、电容器、二极管、三极管、运算放大器）相对容易设计和分析，因而已经得到了广泛的开发，并广泛应用于kHz，MHz和GHz频域的集总光学元器件。但是，现代的电信和信息技术需要更高的工作频率，在这些频率下，无法通过直接缩小尺寸来获得集总元件，因为材料的色散会显著改变金属和电介质的特性，并且相互连接中的会出现延迟。因此，如何在红外和可见光范围内设计和分析动态非线性电路？针对该问题，高雷教授团队开展了广泛的研究，并提出一种解决方法。具体而言，利用具有共振响应增强的三阶非线性石墨烯同质二聚体组成的纳米天线，依靠纳米颗粒的等效电容，电感和电阻，构成集总光学电路。并且，其可以用来设计三稳态多谐振荡器、非稳定多谐振荡器和混沌发生器等。与类似的基于微电子元件的设备相比，非线性纳米天线具有更高的运行速度，可用于超快的全光信息处理，且可以扩展到各种非线性纳米光子系统，具有广阔的应用前景。此外在实践中，光学频率或红外光频率范围内可以利用各种等离激元材料（例如银，金和石墨烯）来实现。

在另一方面，现有的等离激元颗粒体系的电磁散射理论模型主要是针对静态情况下的光散射，而针对随时间演化的动力学散射特性研究甚少，且现有的商业电磁计算软件尚不能完全覆盖表面等离激元体系中的非线性电磁动态响应。针对这一问题，该研究工作提出了等离激元共振颗粒体系构成的纳米天线非线性动力学行为的一般分析方法。所提出的动力学模型还可以描述磁光颗粒体系、高折射率纳米颗粒体系、石墨烯薄片体系和其他非线性纳米天线中的非线性动力学行为。最近开发的技术已经可以实现将此类元素集成到硅纳米光子电路和光纤中，这为实现基于非线性动力学功能的众多光子学器件铺平了道路。

图文速览

图1: (a) 非线性石墨烯包裹氟化钡球颗粒体系的新型纳米天线模型；(b) 以集总元件表征的非线性纳米双颗粒体系的等效方案。

图2: (a) 非线性石墨烯包裹氟化钡球颗粒体系的新型纳米天线电偶极矩的稳态和非稳态；(b)非线性纳米天线电偶极矩的动力学特征图，在随时间演化过程中出现非对称态、周期性振荡态和混沌态三种非线性动力学模式。

图3: 与三稳态多谐振荡器、非稳态多谐振荡器及混沌发生器相关的纳米二聚体非线性动力学实例。(a) 调制非稳定导致对称稳态自发转变为非对称稳态（自发对称破坏）；(b) 利用过渡混沌动力学实现了从准稳态到稳定平衡点的触发；(c) 周期性振荡由信号脉冲激励，且系统保持对称性；(d) 从准稳定平衡跃迁而自发出现自激周期性振荡，且系统对称性被破坏；(e) 混沌态由信号脉冲激励，且系统保持对称性；(f) 系统先被驱动为准稳态平衡点，而后混沌状态随对称性破坏而自激发。

总结

该研究工作提出了等离激元共振颗粒体系构成的纳米天线非线性动力学行为的一般分析方法，并利用该颗粒体系设计了三稳态和非稳态多谐振荡器以及混沌发生器。与类似的基于微电子元件的设备相比，非线性纳米天线具有更高的工作效率，可用于超快的全光信息处理，且可以扩展到各种非线性纳米光子系统，具有广阔的应用前景。苏州大学物理科学与技术学院高雷教授为论文的通讯作者，马普娟博士（在苏州大学团队主要支持下）为论文的第一作者。研究团队特别感谢特拉维夫大学电气工程系Pavel Ginzburg教授和Roman E. Noskov博士的支持与帮助。该工作得到了国家自然科学基金面上项、江苏省自然科学基金、青兰工程、“333”项目以及江苏省高等学校优势学科的支持。