光開(kāi)關(guān)作為構建高速光通信網(wǎng)絡(luò )與未來(lái)光子計算的核心器件，其性能提升始終是行業(yè)焦點(diǎn)。近日，一項發(fā)表于國際頂級期刊《Nature Photonics》關(guān)于光學(xué)雙穩態(tài)材料的研究取得里程碑式進(jìn)展，為新一代高性能光開(kāi)關(guān)與光存儲器的開(kāi)發(fā)奠定了堅實(shí)基礎。廣西科毅光通信科技有限公司作為專(zhuān)業(yè)的光通信設備與解決方案提供商，持續關(guān)注此類(lèi)前沿光開(kāi)關(guān)技術(shù)發(fā)展，致力于將尖端科研成果轉化為實(shí)際應用。

研究突破：納米級本征光學(xué)雙穩態(tài)（IOB）實(shí)現

長(cháng)期以來(lái)，開(kāi)發(fā)適用于微型化光子器件的納米級本征光學(xué)雙穩態(tài)材料面臨巨大挑戰。光學(xué)雙穩態(tài)是指材料對單一光輸入能產(chǎn)生兩種穩定光學(xué)輸出狀態(tài)（如“開(kāi)”/“關(guān)”、高發(fā)光/低發(fā)光）的特性，其輸出取決于此前的激發(fā)歷史。這種特性是實(shí)現超快、低功耗光開(kāi)關(guān)和光存儲器的理想選擇。

Intrinsic optical bistability of photon avalanching nanocrystals.

光子雪崩納米晶體的本征光學(xué)雙穩性

圖1: KPb2Cl5:Nd3+ 雪崩納米粒子avalanching nanoparticles，ANPs中的本征光學(xué)雙穩態(tài)intrinsic optical bistability，IOB。

圖2: KPb2Cl5:Nd3+雪崩納米粒子ANPs的雙穩態(tài)發(fā)光。

圖3: KPb2Cl5:Nd3+雪崩納米粒子ANPs中的本征光學(xué)雙穩態(tài)IOB模型。

2025年1月，美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室的研究團隊在KPb?Cl?基質(zhì)中摻雜Nd3?（釹離子）的雪崩納米粒子中，成功觀(guān)測并證明了清晰穩定的本征光學(xué)雙穩態(tài)現象。該材料能在高發(fā)光態(tài)與低發(fā)光態(tài)之間實(shí)現高對比度切換，并展現出典型的雙穩態(tài)滯后特性。這一發(fā)現標志著(zhù)在納米尺度上實(shí)現實(shí)用化IOB材料取得了關(guān)鍵性突破。

核心機制：低溫光子雪崩與強非線(xiàn)性

研究揭示了這種光學(xué)雙穩態(tài)源于一種獨特的低溫非熱機制。其核心是Nd3?離子中被抑制的非輻射弛豫過(guò)程與光子雪崩效應之間形成的強大正反饋循環(huán)。光子雪崩是一種高效的上轉換過(guò)程，在此機制下被顯著(zhù)增強，最終導致了極其顯著(zhù)的>200階光學(xué)非線(xiàn)性響應。這種極強的非線(xiàn)性是驅動(dòng)雙穩態(tài)行為的關(guān)鍵物理基礎。

面向器件的可控性能：可調滯后與光開(kāi)關(guān)演示

該研究的另一重要價(jià)值在于展示了對此光學(xué)雙穩態(tài)特性的有效調控：

1. 滯后寬度可調： 通過(guò)調制激光脈沖參數，研究人員成功調節了雙穩態(tài)回線(xiàn)（滯后環(huán)）的寬度，這意味著(zhù)器件操作閾值和穩定性可以根據需要進(jìn)行設計。

圖4: 發(fā)光滯后的時(shí)間調制。

圖5: 基于不穩定渡越crossing，雪崩納米粒子ANPs的光開(kāi)關(guān)。

1. 晶體管式光開(kāi)關(guān)功能： 創(chuàng )新性地利用雙激光束進(jìn)行激發(fā)，成功實(shí)現了類(lèi)似晶體管功能的光開(kāi)關(guān)操作。其中一束光起到“門(mén)控”信號的作用，用另一束光來(lái)控制發(fā)光狀態(tài)的開(kāi)關(guān)，完美詮釋了“利用光來(lái)操縱光”的概念。相關(guān)原理展示見(jiàn)圖5。

應用前景與行業(yè)意義

    這項關(guān)于光子雪崩納米晶體本征光學(xué)雙穩性的研究，不僅深化了對基礎物理過(guò)程的理解，更重要的是為開(kāi)發(fā)新一代納米光子器件，特別是超快、低功耗、高集成度的光開(kāi)關(guān)和光存儲器，提供了極具潛力的材料平臺和設計原理。其低溫工作、高對比度、強非線(xiàn)性及光控光的特點(diǎn)，使其在全光網(wǎng)絡(luò )、光子芯片、量子信息處理、高分辨率生物成像等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。

廣西科毅光通信科技有限公司認為，此類(lèi)基礎材料的突破性進(jìn)展，是推動(dòng)光通信和光子技術(shù)向前發(fā)展的核心驅動(dòng)力。我們密切關(guān)注包括光學(xué)雙穩態(tài)材料在內的前沿光開(kāi)關(guān)技術(shù)動(dòng)態(tài)，并積極評估其在下一代光開(kāi)關(guān)模塊與系統中的應用潛力?？埔愎馔ㄐ胖铝τ趯⒆钕冗M(jìn)的科學(xué)技術(shù)融入產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，為客戶(hù)提供高性能、高可靠性的光通信解決方案。

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廣西科毅光通信科技有限公司是一家專(zhuān)注于光通信設備研發(fā)、生產(chǎn)與銷(xiāo)售的高科技企業(yè)。公司核心產(chǎn)品涵蓋各類(lèi)光開(kāi)關(guān)、光衰減器、波分復用器等無(wú)源器件及子系統，廣泛應用于光纖通信、數據中心、測試測量等領(lǐng)域。我們堅持以技術(shù)創(chuàng )新為引領(lǐng)，以客戶(hù)需求為導向，致力于成為全球領(lǐng)先的光通信器件供應商。

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