金属-介质-半导体复合微纳结构中光子-激子强耦合的动态调控

The photon-exciton strong coupling system constructed by combining micro/nano-structures with semiconductors integrates the advantages of photonic system and electronic system, and has broad application prospects, such as low threshold micro/nano lasers, all-optical logic devices, quantum information transportation and storage, and so on. This project aims to theoretically and experimentally study the dynamic regulation of photon-exciton strong coupling in metal-dielectric-semiconductor composite micro/nano-structures, explore new methods to regulate the number and decay properties of the polariton modes, and discuss its applications in new type of micro- and nano- optical devices. On the one hand, design a composite structure to build a strong coupling system consisting optical modes with different excitation mechanisms by utilizing different micro/nano-structures (such as surface plasmon structures and photonic crystals). In this way, the mode number and decay properties of the polaritons can be controlled by the frequencies and polarizations of the incident light. On the other hand, construct a strong coupling system by introducing dielectric coefficient tunable materials, such as liquid crystal, lithium niobate and vanadium oxide. In this way, the mode number and lifetime of the polaritons can be modulated by applying different electric field or changing the temperature. Through these studies, we hope to deepen the understandings of photon-exciton strong coupling in the composite structures, and propose new methods to regulate the properties of polaritons, which will help to develop tunable devices based on polaritons.

微纳光学结构和半导体材料结合构建的光子-激子强耦合系统，集成了光子体系与电子体系的优点，在低阈值微纳激光器、全光逻辑器件、量子信息的传输与存储等方面有广阔的应用前景。本项目拟从理论和实验两方面对金属-介质-半导体复合微纳结构中光子-激子强耦合的动态调控进行研究，探索调控极化子模式数目和时间、空间衰减性质的新手段，主要包括两个方面的内容：利用不同微纳结构（比如表面等离激元结构、光子晶体等）中的模式激发特点，设计复合结构，集成激发方式不同的光学模式，通过入射光的频率、偏振态等对极化子的模式数目及时间、空间衰减性质进行动态调控；在强耦合系统中引入介电系数可调的材料，比如液晶、铌酸锂、氧化钒等，利用电场、温度等动态调控极化子的模式数目及寿命。通过这些研究，我们期望可以深入理解复合结构中的光子-激子强耦合效应，提出对极化子性质进行动态调控的新方案，为可调控极化子功能器件的研发提供科学依据。

基于微纳光学结构的强耦合系统，集成了光子体系与电子体系的优点，在可调控集成光电器件、高效率光电逻辑器件、光电信息的传输与存储等方面有广阔的应用前景。本项目对复合微纳结构中强耦合的动态调控进行了研究，探索调控极化子模式数目、光学偏振态和模式数目的新手段，主要研究内容包括三个方面：(1) 利用石墨烯、二氧化钒等掺杂的一维光子晶体结构，构造了多种模式强耦合的微腔，通过调节电压和温度，实现了对极化子模式数目和衰减性质的调控，为可主动调控的多模式极化子吸收器提供了新方案；(2) 利用石墨烯、金属和全介质构造了不同的超构材料，通过设计具有不同对称性的微结构，实现了对入射光偏振态的选择性吸收和调控，相关结构在可调控光电子器件（比如吸收器、探测器、偏振转换器等）方面有潜在的应用前景；(3) 设计了不同的电磁感应透明超构材料，通过电压、入射光偏振等外部参数实现了对光学模式数目的主动调控，为可调控极化子系统的研究提供了基础，在可调控集成光电子器件（比如滤波器、探测器等）方面有潜在的应用前景。本项目的研究成果很好地完成了预期研究目标，增加了强耦合系统的调控自由度，为可调控集成极化子器件和光电子器件的设计提供了新思路。在项目执行期内，发表了学术论文10篇，其中SCI收录8篇，1篇被Optics Letters选为“Editor's Pick”；申请国家发明专利3项，目前均在审查阶段；相关成果在国际国内学术会议上进行口头报告、张贴海报累计4人次。