基于硅基混合表面等离子体波导的纳米聚焦及非线性研究

With its unique advantages, silicon photonics technology promotes the miniaturization and integration of optoelectronic devices continuously. However, due to the diffraction limit and weak nonlinear effects, most silicon-based waveguide-type nonlinear devices are still in the order of millimeters or even centimeters scale. There is no good solution for its on-chip miniaturization so far. This project will first focus on two key problems: the characteristics of optical field confinement based on hybrid surface plasmonic waveguide（HPW）; ultra-small hybrid surface plasmon polaritons (SPPs) mode excitation. Utilizing the strong confinement ability of SPPs for optical field to break through the diffraction limit, a two-dimensional on-chip nanofocusing scheme will be proposed. Based on the theory, an nanofocusing device with high conversion efficiency will be designed, fabricated and tested. In addition, we will study the nonlinear transmission theory of silicon-based ultra-small HPW under the conditions of high power density and local field enhancement and provide a novel and effective solution for silicon-based nonlinear devices miniaturization. This project expands the nonlinear research field of silicon waveguides and paves the way to realize hybrid integration of plasmonic-based devices and dielectric-based devices.

硅基光电子技术以其独特优势，不断推动着光电子器件的小型化、集成化发展。然而，受衍射极限和非线性效应较弱的影响，绝大多数硅基波导型非线性器件的尺寸还处于毫米甚至厘米量级，如何实现其片上小型化尚无很好的解决方案。本项目首先围绕混合表面等离子体波导的光场局域特性，超小型混合表面等离子体模式激发这两大关键问题展开研究。利用表面等离子体对光场的强限制能力突破衍射极限，实现片上二维纳米聚焦结构。在理论研究指导下，设计并实验制备、测试具有高耦合效率的纳米聚焦器件。在此基础上，研究高功率密度，局域场增强条件下超小型混合表面等离子体波导非线性传输理论，为硅基非线性器件的小型化提供新的解决方案。本项目拓展了硅波导的非线性研究领域，为介质器件与表面等离子体器件的混合集成提供了理论依据与指导，具有重要的理论价值和广泛的应用意义。

由于传统的光学器件和回路都受到衍射极限的制约，光电子芯片的集成度长久以来无法进一步提高。特别是硅基波导型器件，其非线性效应需要在很长的传输距离上积累才会比较明显。本项目利用SPP对光场的强限制能力来突破衍射极限，提出超小型HPW结构，研究SPP局域场增强条件下光场与硅波导的相互作用，探索其中的非线性效应，建立硅基HPW非线性传输理论。.在纳米聚焦方面，提出了一种利用MIM等离子体本征模反射器的新型模斑尺寸转换器件。当下沉Au厚度bm为80nm时，|E|2比DW增加了约75倍，消光比高达29.3dB，插入损耗仅为1.29dB。在实验中，设计、制备并表征了一种片上超小型硅基混合表面等离激元纳米聚焦器件，仅利用了长度约为1.23μm的锥形渐变结构，将传统硅条形波导中的光场聚焦到硅基混合表面等离激元波导中，在1550nm附近的近红外波段中的非谐振光场增强最高可达约20倍，器件的整体损耗约为4.6dB，这是基于硅基混合表面等离激元的纳米聚焦器件的首次报道。对于中央细硅波导宽度WSi=120nm的设计，损耗最小可达约2.8dB。.在非线性方面，分析了MIM纳米聚焦器件的聚焦性能以及MIM中的gap材料为聚合物材料时相应非线性效应的强度。定量计算了不同聚焦区域不同光强下的非线性有效面积Aeff和非线性相移的变化率Δφ，发现混合MIM纳米聚焦器件适合在较短的传播长度内产生很大的非线性相移。混合MIM纳米聚焦器件具有较大的非线性参数和可接受的传输损耗，可以比传统硅波导更快地产生非线性相移，这些优势将在减小非线性光学器件的尺寸等方面发挥关键作用。.项目组通过利用表面等离子体对光场的强限制能力突破衍射极限，设计并实验制备、测试了具有高耦合效率的纳米聚焦器件，研究了超小型混合表面等离子体波导非线性传输理论，为硅基非线性器件的小型化提供新的解决方案，具有重要的理论价值和广泛的应用意义。