时间调制表面等离激元的非弹性散射过程研究

Surface plasmon polariton (SPP) is a kind of surface mode that can propagate at the interface of metal and dielectric. Due to its strongly confined field, the SPP mode is sensitive to any slight variation on the metal surface. In this project, we will investigate the frequency variation of SPP in time modulated waveguides. The following aspects are concerned: (1) Design SPP waveguide by using which the propagation of SPP can be dramatically influenced by external modulations; (2) Theoretically analyze and numerically simulate SPP propagating in periodic or aperiodic time modulated waveguides; (3) Design active plasmonic devices based on time modulated SPP waveguides. The study in this project will reveal the physical analogy between the frequency evolution in time modulated waveguides and the discrete diffraction in waveguide arrays that are formed by spatial modulation. It also provides a new method to design active plasmonic nanodevices. The SPP based time modulated waveguides will find great applications in next generation active devices such as plasmonic modulators, frequency convertors, and switches which are of ultrahigh speed, low loss and high integration density.

表面等离激元（SPP）是一种在金属和介质的界面上传播的表面光波模式，由于光场的高度局域，金属表面的微弱变化都将显著地影响SPP的传播。本项目将研究在金属波导中引入时间调制，导致SPP在传播过程中发生非弹性散射的频率变化规律。具体内容将主要从以下几个方面展开：（1）设计新型表面等离激元波导，增加对SPP的调制强度；（2）理论分析并数值模拟SPP在周期和非周期时间调制波导中SPP的传播；（3）设计基于时间调制表面等离激元波导的有源纳米光子器件。通过本项目的研究，将揭示时间调制SPP的频率变化与介质受到空间调制产生的离散衍射现象之间的内在关联，为设计有源光子器件提供一种新的方案。本项目的研究成果将在设计下一代基于表面等离激元的超快、低损耗、高集成度有源光子器件，如调制器，频率转换器、超快光开关等方面有着广泛的应用前景。

表面等离激元（SPP）是一种在金属和介质的界面上传播的表面光波模式，由于光场的高度局域，金属表面的微弱变化都将显著地影响SPP的传播。除了金属之外，石墨烯作为一种二维材料，在中远红外波段具有金属的性质，能够支持表面等离激元的传播。本项目研究了石墨烯等新型表面等离激元波导在空间和时间调制下的传播过程，为设计调制器、频率转换器、光开关等新型纳米光学器件提供理论和技术支持。具体内容将主要从以下几个方面展开：(1)设计新型表面等离激元波导，如多层石墨烯光波导、周期石墨烯波导阵列和双周期石墨烯波导，求解色散关系，分析波导中存在的本征模式。此外，我们将研究对象拓展至非周期波导和非线性光波导。（2）研究石墨烯波导在空间调制下的传播行为，改变调制方式控制表面等离激元的传播。发现在纵向空间调制的双周期石墨烯阵列中会产生空间模式的Rabi振荡。改变石墨烯的化学势构建非周期波导，实现空间的Bloch振荡和狄拉克振颤。（3）依据时间调制波导中的表面等离激元的频率演化规律与空间离散衍射的对应关系，研究了动态调制下，双层石墨烯表面等离激元波导中的模式转换过程，并讨论时间调制表面等离激元波导的实际应用，如调制器、频率转换器、光开关等。（4）通过实验验证时间调制对光波频率的调制作用。利用光纤通信系统中的相位调制器实现对光波的时间调制，发现改变调制相位可以控制光波的频率的转换过程。