基于表面等离子体慢光波导的芯片级光吸收开关研究

Recently, the International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) set the requirements for a basic all-optical switching element, namely: it should work efficiently at round 1.5 μm, operate at low power, and have a small component size. In order to solve the problems being in the present metal-dielectric interface based plasmonic switches, such as low confinement of surface evanescent field, long operating length and inefficient bulk coupling structure, we plan to do the research on plasmonic slow light waveguides based chip-scale absorption switches. With the slow-light enhanced light-matter interaction and the optimized coupling nanostructures, we propose to enhance the devices’ performance, decrease the required operating lengths and reduce the power consumption dramatically, and thus realize the ultra-compact high-performance plasmonic switches. This project includes: 1. studying the slow light effect on the switch performance, building the relation between the modulation depth and the effective refractive index, slow-down factor and propagation length of the plasmonic slow light waveguide; 2. studying how the structure parameters and materials used in the devices affect the capability of the switches, building corresponding theoretical modal; 3. optimizing the coupling nanostructures, improving the impedance matching among the propagating modes, building corresponding efficient coupling mechanism, further realizing on-chip integration; 4. demonstrating our theoretical design experimentally. The studies in this project have great importance in many applications, such as optical logic elements, highly integrated and high-speed optical communication computing networks.

近期，国际半导体技术蓝图 (ITRS)为未来光开关的发展提出了设计要求：工作波长1.5 μm，高性能，低功耗，小尺寸。针对现今表面等离子体（SPP）波导开关广泛采用的金属-介质表面SP传导结构存在的光场局域度低、工作距离长、能耗高以及光耦合结构庞大低效等问题，开展基于SP慢光波导的芯片级吸收开关的研究。提出利用SP慢光增强光与物质之间的相互作用，结合最优纳米耦合结构，大幅提升开关性能，缩短器件尺寸并降低工作能耗。研究内容包括：1. 研究SP慢光效应对开关性能的影响，建立开关性能与SP慢光波导有效折射率、慢光因子和传播长度间的相互关系；2. 研究各慢光波导结构和材料参数对开关性能的影响，建立理论模型；3.优化纳米耦合结构，提升各SP传导模式间阻抗匹配，建立最优耦合机制，实现片上集成。4.基于理论设计，开展实验验证。该研究结果对于光逻辑门构建，实现高集成化高速光通信与光计算网络具有重要意义。

近期，国际半导体技术蓝图 (ITRS)为未来光开关的发展提出了设计要求：工作波长1.5μm，高性能，低功耗，小尺寸。事实上，这也是对于新型光传感器件的核心要求。其中，将慢光结构、非厄米光学结构等新型光学结构引入到光开关的设计成为了新型光开关技术发展的一个新方向。灵敏度和器件插入损耗是衡量小尺寸光开关和光传感性能好坏的两个关键指标。然而，高灵敏度和低器件插入损耗性往往是一对矛盾体。在保证高灵敏度的同时，如何减小器件插入损耗给器件带来的负面作用是一个重要研究问题。因此本项目主要研究内容是通过理论研究，辅以实验验证的方式，开展在由不同光学材料组成的不同光学结构中，研究高光灵敏度、低插入损耗的高性能微纳米尺度光学开关或者光学传感器件。. 重要结果：1.基于表面等离子体慢光波导结构，建立了器件折射率灵敏度与波导慢光因子和传播长度的相互关系。提出了一种利用表面等离子体电磁诱导透明效应的慢光器件。在可接受的能耗下，该器件相比传统非慢光器件具有尺度小，灵敏度高的优势。2.利用相变材料，在非厄米光学平面结构中完成了单向无反射传输方向性的开关切换。此外，利用相变材料设计了微纳结构散射态的转换开关，使得微纳柱形散射体可在其隐身态和超散态之间相互切换。3.利用遗传算法对多层核壳光学结构进行了多参数优化，实现了基于光nanojet长度探测的新型高超光折射率传感器。4. 光吸收开关强烈依赖器件对活性材料虚部的灵敏度。同时，非厄米光例外点(exceptional points)处光场的聚集与慢光的形成有着千丝万缕的联系。在双层核壳多模光纤中，引入损耗介质，基于核壳模式耦合，找到了非厄光学例外点。于该例外点处，双层多模光纤对材料折射率虚部的变化展现了超高灵敏度。. 研究结果表明利用慢光效应，相变材料，光学例外点在表面等离子体以及传统光学领域可实现高灵敏度、小尺度的光学开关和传感器件。对于基于光学例外点的光器件，光学损耗甚至成为了一个必须的积极因素而不再是不利因素。