基于光微流控技术的等离子体共振波导光子器件的研究

Surface plasmon polaritons (SPP) has some distinct features that it can overcome the diffraction limit of light and enhance in local space, therefore it becomes a wonderful choice to realize the integrated optical device. The design and fabrication of SPP devices with compact structure and various optical property has achieved good development, but how to manipulate the action of surface plasmon polaritons in devices is still a problem. Manipulation based on acousto-optic, electro-optics and Kerr effect has defects like small manipulation range, low manipulation accuracy and large manipulation difficulty. Fluid has no impact on the metal electronic density and charge distribution, and owns some characteristics like large variations of fluid refractive index and fluid mobility. Therefore, by utilizing the optofluidic technique we can achieve manipulation to the surface plasmon polaritons devices. Waveguides, lens, switches and filters can be integrated on the chip and the function of exchange, display and storage can be realized. The realization of adjustability and microminiaturization of photonics devices is a profitable attempt to the integration of photonics devices. Our research will design the cavity structure fit for the optofluidic manipulation, explore novel approach to utilize the optofluidic technique in surface plasmon polaritons manipulation, supply theory and experiment important basis to the fabrication of optofluidic devices and promote the application of these novel optofluidic integrated device in the future Information Field

由于表面等离子体激元具有突破衍射极限、场空间局域增强等特点，成为制作光集成器件的极佳选择。制作各种结构紧凑，具有各种光学性能的表面等离子体光器件已取得长足的进展，但如何对表面等离子体进行有效的调控依然是一大难题。利用声光、电光和克尔效应等进行的调控存在调制范围小、调制精度差、难度大等缺陷。采用光学微流控技术对表面等离子体波导进行调控，由于流体对金属电子密度和电荷分布没有影响，且流体具有相对折射率大，形状可变等特点可以在芯片上构建波导、透镜、光开关和滤波器等光学器件，并实现交换、显示和存储等功能，实现光子器件的微型化和可调化，这对于光器件的集成化无疑是一个有益的尝试。本课题将构建适合光微流操控的微腔结构，探索用光微流技术操控的表面等离子体微腔的新方法和新途径，为制作微流体控光子器件提供理论和实验的重要依据，促成这些新颖的微流控集成光学元器件在未来的信息领域中得到应用。

本项目组四年来主要开展微/纳光调控器件和性能、传感器和光量子信息传递等方面的研究，在国内外学术刊物发表论文35篇，国内专利3项。现分五个方面汇报如下：.1、在表面等离子激元光波导器件的研究中，我们设计了多种不同结构的表面等离子波导腔并对其光学特性进行了深入的探讨。发现通过改变不同腔的参数，可以人为地调控共振腔的透过率和波峰位置。尤其是我们提出的一种基于圆盘谐振腔非对称纳米带通滤波器，模拟结果表明，改变纳米圆盘半径和波导间耦合距离可以有效调节其传输特性。通过延长输入/输出端的波导长度，可以抑制滤波器输出的共振模式。由此设计的解波分复用器，实现了对圆腔中两个模式的分离，透过率高达70%。这些微纳器件为光学系统结构的可调化、功能的集成化和系统的微型化提供了很好的设计思路。.2、在设计好的微/纳波导腔中进行调控以达到改变其输出特性，实现一机多用目的是困难很大的工作。我们根据光微流控的特点，分别设计了圆盘波导腔等多种适合液控的波导腔，通过注入不同折射率的液体和改变注入腔内液柱体积等手段，可以实现输出波长的调节。在纳米圆盘结构中填充液晶和乙醇可获得光开关和温度探测器的功能，实现多功能微纳器件的效果。.3、在深入开展表面等离子微/纳器件光学性能的研究过程中，得到许多类电磁诱导透明（EIT）现象和慢光效应。我们分别在金属-介质-金属结构和石墨烯等超材料中实现了类电磁诱导透明现象，其透过率可达到90%左右，品质因子可达到139，慢光效应指标群指数高达88。这在超快光开关、光存储、慢光器件中具有巨大的应用价值。.4、项目组在微纳传感器的研究中提出了多种可用作传感器的波导腔如：对称双边耦合纳米盘谐振器多功能波导腔等，通过FDTD仿真分析，发现共振波长的平移与注入材料的折射率存在线性关系，通过改变结构参数和填充液晶材料等物质，可作为折射率灵敏度和温度传感器，其灵敏度可达10-7量级。有些器件兼有传感器和滤波器的作用，实现一器件多功能的效果。.5、在量子通信方面提出了光子和量子点自旋之间的信息传递方案，并推广到光子之间和量子点自旋之间的信息传递。该方案具有较高的保真度。光子和量子点自旋之间的信息传递实现了传播量子比特和存储量子比特的相互作用，为实现量子信息的存储和读取提供了一条非常好的途径。.在四年里，培养硕士研究生34名，博士研究生2名。获得广东省优秀学术论文二等奖一项。