基于金属/介质纳米结构的表面等离子激元集成回路

表面等离子激元（Surface Plasmon Polariton, SPP）在偏振状态、模式体积、色散特性等方面具有若干特殊的物理性质，为新功能光电器件及光电一体芯片集成技术的发展提供了一条新的途径。本项目以实现新功能SPP集成回路为目标，从新型纳米结构及纳米尺度下的光电调控入手，针对在集成芯片上实现SPP的产生、传输、接收、调控等功能的关键问题展开研究，将基于分立元件的SPP-光电技术推向器件与集成；同时，研究纳米金属薄膜特有的SPP传输特性及其调控方法，探索新型SPP-光电集成功能芯片的实现。研究内容覆盖了集成电-SPP-电转换芯片、低损耗SPP传输波导、SPP调控芯片、SPP环境传感芯片等构成SPP集成回路的各个主要器件单元及其集成技术，从集成SPP功能器件的物理机理、理论设计到工艺制备、测试技术方面探索出一条具有自主知识产权的新路。

本项目以实现新功能SPP集成回路为目标，针对在集成芯片上实现SPP的产生、传输、接收、调控等功能的关键问题展开研究，将基于分立元件的SPP-光电技术推向器件与集成；同时，研究纳米金属结构特有的SPP传输特性及其调控方法，探索新型SPP-光电集成功能芯片的实现。项目研究工作开展顺利，达到任务书研究目标的要求。取得了以下研究成果：.1. 提出并论证了异质混合波导结构的电磁模耦合激励原理，观测到长程和短程SPP与光波的耦合效率均大于99%；实现了纯TM偏振分束器和长度90μm、消光比30dB的TE光起偏器。异质耦合的实现使得在集成芯片上激励SPP成为可能，并为SPP器件与传统光电器件的混合集成提供了途径。.2. 基于SPP模式转换机制，提出并实现了一种可集成SPP生化传感芯片。借助短程SPP模场的高度趋肤特性，该SPP传感芯片的厚度变化传感分辨率达1.65dB/nm，优于其它集成传感器件一个数量级以上，对双酚A分子的传感灵敏度达到0.1ng/ml。.3. 提出利用空间飞行电子消逝场耦合实现SPP源的“片上电子束激励SPP源”，研制出片上端面发射钼电子源，测试得到20微安的阴-阳极电流。.4. 验证分析了金属纳米颗粒局域SPP场对于光电转换效应的增强作用，利用“Popcorn”金-银合金纳米颗粒实现了30%光电转换效率的提升；提出倒锥形耦合结构SPP探测器，理论探测效率高达93.3%。.5. 提出基于片上电子束激励SPP源、低损耗SPP波导、倒锥形耦合结构SPP探测器的集成芯片方案，可在同一芯片上实现具有SPP激励、调控、传输、探测功能的集成回路。.6. 提出并观测到“双SPP吸收”效应，利用双SPP吸收效应将SPP干涉图形 “固化”，为设计、测试集成SPP回路提供了有效手段。. 本项目共发表SCI论文48篇（12篇发表在“Scientific Reports”、“Applied Physics Letters”、 “Optical Letters”、“Optics Express”等影响因子大于3的期刊上）、EI/ISTP收录10篇，发表文章被SCI他引120余次，国际会议获奖论文4篇；培养研究生16名，授权和申请国家发明专利5项；项目组通过积极参与相关领域主流国际会议、邀请国外专家访问等方式，与国外同行进行了深入的学术交流与合作。