太赫兹波段金属/重掺半导体表面等离子体慢光效应的研究

基于金属/重掺半导体表面等离子体激元的光速调控技术是一个崭新的交叉型研究领域。金属/重掺半导体表面等离子体激元控制光速的机理还有待进一步探讨，本项目拟从理论和实验两个方面着手研究金属/重掺半导体表面等离子体激元对太赫兹波的光速调控，包括调控机理的理论分析、计算模拟及慢光器件的工艺制备等，并进一步探讨利用重掺半导体实现芯片内可集成的光速调控器件的可行性。与其它慢光技术相比，该技术具有很明显的实用特点：可同时实现室温、高效率和宽波段光耦合；还可实现芯片内高度集成；对光速的可控范围更广；产生的光延迟更大。

基于金属/重掺半导体表面等离子体激元的光速调控技术是一个崭新的交叉型研究领域。在项目研究中，我们通过理论设计及模拟仿真研究了金属/重掺半导体表面等离子体激元对光束的调控作用，主要包括慢光能力以及色散特性等方面的内容。并对具有独特优点的金属/重掺半导体表面等离子体慢光结构进行了实验验证。研究过程中我们取得了诸多创新性的研究成果：提出了双侧表面等离子体光栅波导的慢光结构，通过对表面光栅结构色散设计，可以将不同波长的入射光束缚在不同位置，从而实现“彩虹俘获（Rainbow Trapping）”。我们还设计了波导端面处的锥形结构（tapered waveguide）,可以实现介质波导和等离子体波导的高效互连，经过结构参数的优化，耦合效率达到70%。并首次提出了通过改变入射光的入射角度改变两种模式的耦合强度实现等离子体诱导透明现象的动态调控，从而实现光速的动态调控。为了消除群速度色散对慢光性能的影响，我们通过利用结构自身对称性破缺性设计，在1.681 um处获得了一个常数群折射率带宽接近15THz的慢光区域，其对应的归一化延迟带宽参数高达0.475, 该参数表明在一个超宽带范围内实现无色散慢光。该结构的创新性设计为慢光效应向可集成光速调控器件的应用跨出了一大步。通过上述对于金属/重掺半导体表面等离子体慢光效应的深入研究，我们确立了慢光效应的基本原理与设计方法，为设计满足特殊应用的慢光器件提供了理论基础，并推进了可集成光速控制器件从研究向实际应用步伐，尤其是其在全光通信系统中构造光延迟器和光缓存器突出优点，并且这些器件将是解决全光光纤通信系统和网络中路由和交换问题的核心器件。