金属-介质纳米波导阵列中光子的共振隧穿与可控开关研究

作为重要的一类异向介质材料，金属-介质组成的亚波长周期性结构具有许多独特的性质和功能，该结构中的光异常传输现象已成为光学领域研究的前沿和热点。本项目通过构造一种纳米厚度金属-克尔介质平板组成的亚波长周期结构波导阵列，利用金属-介质界面上表面等离子体激元（SPPs）的局域场增强产生非线性调制，激发金属与介质界面的表面等离子体波和介质中Bloch波的传播，类比克尔介质波导阵列构成的非线性晶格中分立孤子的行为，探索金属-介质纳米波导阵列中光异常传输现象的物理机制，研究金属-介质纳米波导阵列中光子的共振隧穿与可控开关特性，即波导阵列中的光可以无衍射传播和可控的信道引导，实现光开关的逻辑操作，使信息在任意通道间寻址路由，应用于新一代光通信网络，其理论与实验研究有极其重要的意义。该波导阵列作为原型结构，可以实现线性与非线性的光流行为控制，对于新型纳米光子功能器件的设计、制备和实际应用有重要参考价值。

作为重要的一类异向介质材料，金属-介质组成的亚波长周期性结构具有许多独特的性质和功能，该结构中的光异常传输现象已成为光学领域研究的前沿和热点。本项目通过构造一种纳米厚度金属-克尔介质平板组成的亚波长周期结构波导阵列，利用金属-介质界面上表面等离子体激元（SPPs）的局域场增强产生非线性调制，激发金属与介质界面的表面等离子体波（SPW）和介质中Bloch波的传播，类比克尔介质周期阵列构成的光子晶格中的光传输行为，探索金属-介质纳米波导阵列中光异常传输现象的物理机制，研究金属-介质纳米波导阵列中光子的共振隧穿与可控开关特性，应用于光子器件，其理论与实验研究有极其重要的意义。.　　　在理论研究方面，应用时域有限差分（FDTD）方法对含横向切口的金属光栅阵列中的表面等离子波的共振传导机制进行研究，提出了电感-电容传输线模型，通过数值模拟结果对切口位置形状与表面等离子波的共振频率的关系进行分析，解释了共振频率的红移与蓝移现象；根据强非局域结构中空间孤子的演化方程——非局域非线性薛定谔方程，采用分步傅里叶方法，对一维强非局域光晶格结构中空间孤子的脉动传播进行数值研究；基于电光效应，设计出一种采用电光材料的有源平面金属-介质阵列结构，通过激发表面等离子体激元和各种传播常数的波导模式调节输出光的相位实现了光束传输的调控；同时，在金属光栅阵列中光束传播的动力学研究和相关光子器件的设计方面也取得了重要结果。.　　　在实验研究方面,根据马卡梯里提出的理论分析模型和光束传播法模拟软件，模拟设计了DNA-CTMA单模矩形波导、多模干涉分束器和微纳光流通道、准周期光子晶体和染料掺杂聚合物薄膜等多种光子器件。在此基础上，通过现有的超净室技术的改进，成功地制备出高光学品质的光子器件，并表征器件的传输特性，完成从设计、制备到测量的整个过程。该波导阵列作为原型结构，可以实现线性与非线性的光流行为控制，对于新型纳米光子功能器件的设计、制备和实际应用有重要参考价值。