光開關作為構建高速光通信網絡與未來光子計算的核心器件，其性能提升始終是行業(yè)焦點。近日，一項發(fā)表于國際頂級期刊《Nature Photonics》關于光學雙穩(wěn)態(tài)材料的研究取得里程碑式進展，為新一代高性能光開關與光存儲器的開發(fā)奠定了堅實基礎。廣西科毅光通信科技有限公司作為專業(yè)的光通信設備與解決方案提供商，持續(xù)關注此類前沿光開關技術發(fā)展，致力于將尖端科研成果轉化為實際應用。

研究突破：納米級本征光學雙穩(wěn)態(tài)（IOB）實現(xiàn)

長期以來，開發(fā)適用于微型化光子器件的納米級本征光學雙穩(wěn)態(tài)材料面臨巨大挑戰(zhàn)。光學雙穩(wěn)態(tài)是指材料對單一光輸入能產生兩種穩(wěn)定光學輸出狀態(tài)（如“開”/“關”、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。這種特性是實現(xiàn)超快、低功耗光開關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雙穩(wěn)性

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

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

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

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

核心機制：低溫光子雪崩與強非線性

研究揭示了這種光學雙穩(wěn)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程，在此機制下被顯著增強，最終導致了極其顯著的>200階光學非線性響應。這種極強的非線性是驅動雙穩(wěn)態(tài)行為的關鍵物理基礎。

面向器件的可控性能：可調滯后與光開關演示

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

1. 滯后寬度可調： 通過調制激光脈沖參數(shù)，研究人員成功調節(jié)了雙穩(wěn)態(tài)回線（滯后環(huán)）的寬度，這意味著器件操作閾值和穩(wěn)定性可以根據(jù)需要進行設計。

圖4: 發(fā)光滯后的時間調制。

圖5: 基于不穩(wěn)定渡越crossing，雪崩納米粒子ANPs的光開關。

1. 晶體管式光開關功能： 創(chuàng)新性地利用雙激光束進行激發(fā)，成功實現(xiàn)了類似晶體管功能的光開關操作。其中一束光起到“門控”信號的作用，用另一束光來控制發(fā)光狀態(tài)的開關，完美詮釋了“利用光來操縱光”的概念。相關原理展示見圖5。

應用前景與行業(yè)意義

    這項關于光子雪崩納米晶體本征光學雙穩(wěn)性的研究，不僅深化了對基礎物理過程的理解，更重要的是為開發(fā)新一代納米光子器件，特別是超快、低功耗、高集成度的光開關和光存儲器，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、強非線性及光控光的特點，使其在全光網絡、光子芯片、量子信息處理、高分辨率生物成像等領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，此類基礎材料的突破性進展，是推動光通信和光子技術向前發(fā)展的核心驅動力。我們密切關注包括光學雙穩(wěn)態(tài)材料在內的前沿光開關技術動態(tài)，并積極評估其在下一代光開關模塊與系統(tǒng)中的應用潛力?？埔愎馔ㄐ胖铝τ趯⒆钕冗M的科學技術融入產品開發(fā)，為客戶提供高性能、高可靠性的光通信解決方案。

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