北京大学现代光学所龚旗煌教授团队成果"电荷转移分子体系光学非线性及超快全光开关实现"荣获2011年度国家自然科学二等奖。

项目主要完成人还包括：胡小永副教授、王树峰副教授、杨宏高工等。

该项目在系统研究了有机聚合物分子体系电荷转移提高三阶非线性光学效应的机理和途径的基础上，在国际上首次提出通过复合分子材料激发态电荷快速转移获得超快响应和共振增强三阶非线性光学系数的新途径，实现了皮秒量级超快响应和超低阈值功率的全光开关原型器件。

“光控光”全光开关是光子学应用和全光信息处理的基础，而具有超快和大三阶非线性光学响应材料的获得是其应用实现的瓶颈。该项目在国际上率先开展了富勒烯及其电荷转移复合体分子材料的三阶非线性光学效应的研究，发现富勒烯等分子形成电荷转移复合体可提高三阶非线性光学系数 2-3 个数量级，并保持飞秒量级的超快速时间响应。随后，该项目进一步将分子内电荷转移的概念拓展到分子间电荷转移，在国际上首次提出复合分子材料体系激发态快速分子间电荷转移实现超快和大三阶非线性光学响应的新方法，将超快三阶非线性光学系数提高3-4个数量级。利用该方法获得了多种同时具有超快响应和大三阶非线性光学系数的复合分子材料体系，突破了纳微光子器件研究所受的材料瓶颈限制。利用染料分子掺杂聚合物复合材料实现了低功率超快速光子晶体全光开关原型器件，将全光开关的阈值光功率降低4个量级，阈值光强降低到0.1MW/cm2的量级，同时保持皮秒量级的超快速开关时间响应和80%的高开关效率，解决了全光开关多年来一直未能解决的超快开关速度和超低开关阈值要求的矛盾。

项目在重要期刊Nature Photonics等上发表70余篇论文，SCI他引1100余次，并被四本专著或产品目录所引用。相关工作还被Nature Photonics以"光控制光子"为题评述“将阈值功率降低到普通激光二极管就能够使用的水平”和“为实现信号处理所需的全光开关提供了解决的方案”。论文工作还得到Nanomaterials Worlds期刊，NPG Asia Material期刊，英国物理学会和Nature China等十多个刊物和网站报道，被评述为 “发明了一种获得超快和低泵浦功率光子晶体开关的新方法”，“开拓了实现全光控制的新途径”和“将促进光计算的发展”。

图1 光子晶体全光开关工作原理图

图2光子晶体全光开关的实验结果（开关时间：1.2皮秒; 开关效率：优于80％;泵浦光功率：0.1MW/cm2）

编辑：碧荷