基于金属/介质纳米结构的表面等离激元器件和集成回路研究

对基于表面等离激元（SPP）的新一代纳米光子学器件和集成的研究，既有重大的理论意义又有广泛的应用前景。本项目首先研究光与金属/介质纳米结构相互作用机理，为实现SPP纳米光子学器件和集成提供新原理；将有源物质-荧光粒子引入到聚合物材料中，有效解决SPP光子器件中传输损耗的问题，实现多种有源器件；利用在光学微腔中SPP高局域和短波特性增强光学非线性效应，获得便于芯片集成的超低阈值、高速全光调制SPP器件；利用光和SPP之间进行能量转换的激发耦合结构实现远场光和SPP器件间的光互联、多通道耦合及波分复用器件，在光和SPP器件连接的同时获得更高的集成度。发展低成本、易构造、可搀杂、光学性能优良的聚合物基SPP器件及其集成技术。通过本项目的研究，将揭示光与金属/介质纳米结构相互作用机理，为实际应用提供具有原创性的新原理和方法，发展拥有自主知识产权的新一代SPP有源和无源纳米光子学器件与集成技术。

在光与金属/介质纳米结构相互作用机理研究方面，首次提出了金属围栏形SPP纳米腔，揭示了纳米腔中SPP共振机理；实现了对腔中SPP色散的调控，最大品质因子为76；提出了SPP垂直纳米腔；给出局域磁模式与纳米腔间的耦合特性；设计了非对称光学纳米天线对实现了SPP的单向激发和辐射调控；提出了L形缝隙天线实现圆偏光与SPP之间的相互转换; 提出了异质结构缝隙天线获得高度局域的场增强效应；构造了一种双共振天线结构，实现了荧光分子激发和辐射的双重增强，激发和辐射的分离调控；揭示了微纳结构中荧光粒子与SPP间能量转换机理，及其对发光特性的调控。. SPP无源器件研究方面，提出了深亚波长天线阵列在所有光通讯波段实现了光与SPP高效率耦合；提出了精确操控SPP波前的方法，实现了SPP波分复用器，实验中获得了10nm的分辨率；实现了SPP和光之间四通道耦合和互联；提出了一种在金属膜上实现多功能和多输出的SPP器件的方法；设计了易于制备的银纳米线-介质微结构复合的高Q/V的复合腔;提出了基于金属纳米腔的SPP滤波器，获得了18nm带宽；提出了基于金属波导截止频率的滤波器，获得了10nm的带宽和高的透过率；提出了SPP槽型金属波导用于实现SPP集成，并实现了马赫-增德尔干涉仪等原型器件。. SPP有源器件研究方面，首次实现了锁模SPP激光器和基于银纳米天线阵列复合纳腔的SPP纳米激光源；基于各向异性材料实现了SPP全光调控；提出了激元耦合发射新概念并实现的辐射调控；实现了一种新型的基于聚合物材料的有源光波导；实现基于SPP增强的光学双稳和全光开关。. 本项目为发展纳米光子学器件与集成技术提供了原创性新原理和方法，圆满完成了任务。在几个方面获得了突破性进展，包括首次实现了锁模SPP激光器和基于银纳米天线阵列复合纳腔的SPP激光源；揭示了围栏形金属纳米腔中SPP共振机理；利用光学天线实现对SPP激发和辐射的操控；揭示了近场光学模式对有源粒子辐射的调控；以及提出并实现了新型的适用于纳米光子学回路的波导结构等。. 共发表SCI文章55篇，其中影响因子大于7.5的文章8篇，包括2篇Nano Lett.、2篇ACS Nano、2篇Laser & Photon. Rev. 、1篇Phys. Rev. Lett.和1篇Adv. Mater.。获发明专利授权7项，培养15名博士生、3名硕士生。