基于石墨烯表面等离激元的高性能中红外波长转换机制研究

In order to increase the communication capacity and improve the speed of the information processing in the space optical communication, the research on the mid-infrared wavelength converter with high performance has attracted numerous attention in recent years. Currently, the mid-infrared wavelength converter is facing key performance bottlenecks, those are low wavelength conversion efficiency, narrow working frequency band and weak wavelength tunability. This project aims to study the mechanism of mid-infrared wavelength conversion with high conversion-efficiency, wide band, dynamical tunability, small-size and other advantages by employing the strong nonlinear optical properties of graphene and the nonlinear enhancement owing to the field increasing of surface plasmon polaritons. Owing to the large enhancement of interaction between graphene and light wave, the graphene grating structure designed in this project is expected to improve the wavelength conversion efficiency by more than an order of magnitude, comparing with previous structures under the same pump intensity. Taking advantage of this physical mechanism, this project aims to study the scientific problems and key technologies of the mechanism for high performance mid-infrared wavelength conversion from the aspects of mechanism, model and process, focus on solving the key performance bottlenecks in the current mid-infrared wavelength converter. Finally, it provides an important theoretical basis and technical support for the development and application of high performance mid-infrared wavelength conversion technology. 10 papers with high level are expected to be published.

为了在空间光通信中增加通信容量和提高信息处理速率，近年来针对高性能中红外波长转换器的研究备受关注。目前，中红外波长转换器面临波长转换效率不高、工作频带狭窄以及波长可调谐性较弱等关键性能瓶颈。本项目拟利用石墨烯极强的非线性光学性能，并结合表面等离激元的场增强特性对非线性效应的增强机理，对面向高转换效率、宽频带、动态可调谐以及小尺寸等多优势的中红外波长转换机制进行研究。由于本项目设计的石墨烯-光栅结构可以有效增强石墨烯与光波的相互作用，因此有望在相同的泵浦光强时，使波长的转换效率提升一个数量级以上。基于上述物理机制，本项目从机制、模型和工艺等方面深入且系统地研究高性能中红外波长转换机制中所遇到的科学问题和关键技术，着力解决目前中红外波长转换器面临的关键性能瓶颈，最终为高性能中红外波长转换技术的发展和应用提供重要的理论依据和技术支撑，预期发表10篇高水平论文。

针对高性能中红外波长转换的需要和发展趋势，本项目对基于表面等离激元的波长转换关键技术进行了深入研究。研究从石墨烯平板波导结构中波长转换效率的提升机理、石墨烯平板波导结构中波长转换工作带宽的扩展问题、石墨烯平板波导结构中转换波长的动态可调谐机制三方面展开，取得了4项代表性成果。主要创新成果包括：1、通过石墨烯上传播的SPP和基于石墨烯SPP超材料，均实现了高效的波长转换，在波长28.62μm、泵浦光能量0.9MW/cm2时，石墨烯上传播的SPP的三倍频转换效率高达3.68×10-7；在波长4.62μm、泵浦光能量0.18 MW/cm2时，基于石墨烯SPP超材料的三倍频转换效率高达1.406×10-6，相关工作发表SCI高水平论文2篇，其中第一作者身份发表文章1篇，本领域高水平国际会议特邀报告1次。2、对基于石墨烯和金属的表面等离激元结构进行设计，实现电磁诱导透明，并将其应用到逻辑门、传感器中，最终利用超短（60nm）的耦合长度实现了高消光比（＞23.5dB）的逻辑门，器件尺寸＜0.06um2，折射率传感器的灵敏度高达1870nm/RIU。相关工作以第一作者身份发表SCI高水平论文2篇，以通信作者身份本领域高水平国际会议论文2篇。3、利用机器学习和多种反向设计算法对基于石墨烯/金属表面等离激元的器件进行优化，用于实现多透射峰的电磁诱导透明、高线性相关度的微分器，单透明度窗口（双透明度窗口），透射峰谷间的差可达到0.86和0.97（0.87、0.83、0.79和0.69），一阶微分器的线性相关度(PCC)大于0.97。所用到的算法包括随机森林、深度学习、遗传算法、量子遗传算法和粒子群算法等。相关工作以第一作者身份发表SCI高水平论文3篇，其中一区论文1篇，该论文引用次数达到45次，并被发表在Nature Photonics上的综述文章正面引用，本领域高水平国际会议论文1篇，以第一作者身份申请并授权专利1项。4、利用光子器件搭建光子神经网络架构，提出片上实时训练的算法，实现高准确度（＞89%）的四种不同数据集的分类。相关工作以第一作者身份发表SCI高水平论文1篇，本领域高水平国际会议论文1篇，以第一作者身份申请并授权专利1项。