基于半导体发光二极管的高效SPP源研究

Surface plasmon polariton (SPP) can modulate light in nanoscale region through metallic nanostructures beyond the diffraction limit, which shows great promise in realizing integrated optoelectronic circuits by combining the ultracompact critical feature sizes with the extremely high transmission speed. However, an external light source is generally employed to excite the SPP, resulting in a prohibitively bulky footprint in compact integration. Moreover, the coupling efficiency, transmission intensity and contrast ratio of SPP sources is severely limited. In this proposal, we will focus on developing high-efficiency semiconductor light-emitting diode(LED)-based integrated SPP source. We proposed dielectric filled tilted metal grating-LED composite structure and the dislocated double-layered metal grating-LED composite structure, by studying optical modes and modes coupling mechanisms of these structures, the integrated SPP source with high efficiency and controllable direction will be designed. Meanwhile, we will develop a flexible and robust nanofabrication method to prepare and experimentally demonstrate the electrically injected SPP source. This proposal will provide the integrated SPP source component for SPP system on chip, and offer theoretical design and technical support for practical applications of integrated SPP source.

表面等离激元(SPP)可以突破衍射极限的制约，在纳米尺度下对光进行调控，为实现极小特征尺寸和超高传输速度的集成光电子回路提供了可能。然而目前SPP的激发通常采用外置光源，无法实现微型化集成，且光源发光耦合至SPP的效率、传输强度和单向比有待提升。本项目主要研究基于半导体发光二极管(LED)的集成SPP源。通过研究介质填充的倾斜金属光栅-半导体LED复合结构和错位双层金属光栅-半导体LED复合结构的光学模式和模式间的耦合机理，设计高效和方向可控的集成SPP源，同时发展相应的微纳结构制备技术，制备和演示集成SPP源。本项目的研究工作将为片上集成的SPP系统提供集成SPP源元件，为集成SPP源的应用提供理论设计和技术支持。

传统的介质光波导器件受制于光子波动性的影响无法突破衍射极限的限制，难以进一步缩小器件尺寸。表面等离激元能够把入射光局域在金属表面亚波长的区域，对于实现极小特征尺寸和超高传输速度的集成光电子回路具有重要意义。本课题主要是设计和制备高效的研究基于半导体发光二极管的集成SPP源。经过3年的研究，本项目取得了一定的研究成果，在研期间共发表SCI论文9篇，其中影响因子大于10的文章2篇，中科院二区及以上论文7篇。其中，项目负责人第一作者或者通讯作者发表SCI论文7篇，共同一作发表SCI论文1篇。申请发明专利4项。.主要的学术成果以及科学意义如下：.（1）开发了倾斜金属光栅的聚焦离子束刻蚀制备工艺，建立了倾斜金属光栅-GaAs基LED SPP源的理论模型，完成了器件制备及性能表征。为实现高效的SPP源提供了可能。.（2）提出并开发了一种适用于刚性衬底的超平整金薄膜制备技术（PMMA转移技术），并在GaAs基发光二极管表面制备了具有纳米级平整度金薄膜的金属/介质/金属波导-GaAs LED的SPP源。研究结果表明，利用该技术制备的金薄膜表面具有纳米级平整度。进一步，我们利用PMMA转移技术制备了MIM波导-GaAs LED器件，测试结果表明，其传播长度与普通方法制备的器件相比，提高了1.9倍，实现了SPP的高效传输。.（3）发展了一种具有高效率、高精度、应用范围广等优点的金属薄膜辅助转移技术。进一步结合对柔性衬底的预拉伸，可在弹性衬底制备2D/3D微纳结构。该技术有以下优势：1）仅通过一次转移可实现在弹性衬底上制备微纳结构；2）可以在弹性衬底上制备出比采用先进的机械自组装技术小两个数量级的微纳结构；3）通过衬底预拉伸，可在弹性衬底PDMS等上制备出桥状、棚屋状、金字塔状和流体通道等三维微纳结构该技术为柔性纳米光子和光电器件的制备提供了新的方法。