基于非线性可控带隙结构的MIM表面等离子体波导特性的研究

针对当前基于SPP带隙效应的金属-绝缘体-金属（MIM）波导型全光器件面临的周期性结构制备困难、带隙不易调节等问题，本项目提出通过控制光SPP干涉方法对MIM波导非线性层的折射率进行周期性调制，以形成动态SPP带隙结构，从而实现对信号光在波导中传输行为的控制。我们将在理论上对非线性介质层MIM波导中控制光在不同耦合条件下SPP干涉条纹的空间与近场强度分布、折射率周期性弱调制下SPP带隙特性以及超短光脉冲对SPP带隙进行动态调控等方面进行深入研究，并在实验上完成非线性介质层MIM波导的制备与非线性光学响应等的测试与评估。本项研究利用SPP干涉的方法解决纳米波导中周期性结构制备时遇到的工艺复杂、精度不高、重复性低等困难，并有望实现动态调控的SPP带隙，从而为基于SPP带隙效应的小型化MIM全光器件的设计与实现提供新思路，具有重要的科学意义。

金属-绝缘体-金属（MIM）波导能够克服光学衍射极限，将光波局域在纳米尺度内传输，且具有较好的模式特性、可接受的传输损耗以及易于与光纤、介质波导等发生耦合，在未来高密度全光集成领域具有重要的应用前景。考虑到SPP带隙对SPP传输行为的良好控制，目前，基于SPP带隙效应的MIM波导器件受到人们的广泛关注；然而，该类波导器件面临着制备周期性人工微结构时工艺复杂、精度低、重复性差，以及带隙不易调节等困难。本项目中，我们提出一种在非线性MIM波导中利用泵浦光干涉实现表面等离激元带隙的方法，即通过在MIM中引入Kerr非线性电介质层，利用两个全同的金属光栅将泵浦光耦合至该波导中反向传输发生干涉，形成干涉驻波场，其干涉条纹导致Kerr介质折射率发生周期性调制，从而形成SPP带隙。该方法利用干涉驻波场形成折射率的周期性调制，从而避免了周期微结构制备时的困难；同时，通过改变泵浦光干涉行为可以在同一个结构中实现SPP带隙的宽带调谐。.我们在理论和实验上系统研究了SPP带隙的形成机理、调控方法、非线性响应特性等。理论结果表明，在连续泵浦光作用下，MIM波导的非线性介质层形成稳定的干涉驻波场，驻波周期与泵浦光波长密切相关；对于中间介质层宽250nm的MIM波导，当调制长度为12微米、光栅耦合效率为25%、泵浦光波长为20MW/cm-1时，开始出现较为明显的SPP带隙；我们详细分析了波导结构参数、耦合光栅参数、干涉长度、泵浦光功率等对SPP带隙的影响，并指出通过仅改变泵浦光的波长即可实现SPP带隙从可见至近红外波段的宽带调谐。对于泵浦脉冲光而言，其较宽的频谱对干涉驻波场产生较大的影响，研究指出，当脉冲宽度在几十飞秒量级时，Kerr介质折射率受到不同波长下的干涉驻波场的共同调制，SPP带隙难以形成；进一步地，我们理论研究了在5ps泵浦脉冲下的SPP带隙的非线性动态响应行为。在实验上，我们制备得到具有较大三阶非线性系数的染料掺杂的PMMA薄膜，其Z-Scan结果给出n2=8.46×10-10 cm2/W；进而采用FIB微加工方法及纳米压印技术在SOI衬底上制备了Ag-doped PMMA-Ag的非线性MIM波导样品；最后利用微区光学测试系统初步观察到该非线性MIM样品的动态响应行为及SPP带隙特性。本项目的研究为基于SPP 带隙效应的小型化MIM 全光器件的设计与实现提供新思路。