基于纳米结构的亚波长分光和滤波材料研究

In recent years, optical information technology has developed very rapidly, and much attention has been paid to the miniaturization of optical devices. However, it is challenged by the diffraction limit of light. With the capabilities of confining light into (deep) subwavelength volumes, plasmonics and subwavelength optics make it possible to dramatically miniaturize optical devices so as to integrate them into silicon chips. In this project, we are going to investigate subwavelength spectral spliters and filters based on metal/dielectric nanostructures. First, we will explore the physical mechanism on the excitation and propagation of surface plasmons (SPs) in metallic nanowire networks (including nanowires) and metal/dielectric multilayer nanostructures on silicon chips. Second, we will tune the propagated SPs by adjusting the periodicity or the quasiperiodicity of nanostructures; while we will tune the localizated SPs by changing the units in the nanostructures. By doing so, we will manipulate the spacial distributions of both the amplitude and the phase of the light wave in whole nanostructure. Third, we will design and fabricate the subwavelength spectral splitters and filters, where the light waves with different frequencies can be selectively guided and spatially separated. Consequently, a "rainbow" can be trapped in the nanostructure, and different colors can be spatially separated and chronologically released. The released light frequencies depend on the units and periodicities (or quasiperiodicities). Possible applications of those subwavelength spectral splitters and filters in developping state-of-art on-chip spectroscopy and miniaturized wavelength-division-multiplexing system will also be discussed.

近年来光信息技术发展迅速，光子器件小型化很受关注,但是目前其小型化正受到衍射极限的严重制约，新近发展起来的亚波长光子学和等离激元学为解决这一问题提供了新思路。本项目拟从实验和理论两方面研究基于金属纳米线及其网络结构、介电/金属多层结构等微纳系统中表面等离激元的激发和传播规律，揭示该系统中光与等离激元相互转换的微观机制，实现光在亚波长结构中"彩虹"式传输，即选择性地传播多种模式并且将不同频率的光在空间分开，进而设计和制备出基于这些纳米结构的亚波长分光和滤波材料。在此基础上，通过改变纳米结构的周期性或准周期性来调控系统中传播型等离激元，通过改变单个纳米结构单元的构型来调控局域型等离激元，进而控制系统中传播光场和局域光场的振幅与位相在空间中的分布，设计和制备出高性能的亚波长分光和滤波材料，并探讨其在芯片光谱仪、亚波长波分复用器件等方面的应用，开发和研制具有自主知识产权的新型光电材料和器件。

在项目资助下，我们理论设计和实验实现了若干新型金属/介电微纳复合结构，展示了其中表面等离激元的激发和传播规律，并揭示相关体系中光与纳米复合结构相互作用的微观过程；理论设计和实验实现了光在亚波长复合纳米结构中选择性地传播多种模式并且将不同特征的光在空间分开，进而设计和制备出基于这些纳米结构的亚波长分光和滤波材料；通过改变金属/介电复合纳米结构的构型，实现了对相关系统中传播光场和局域光场的振幅、位相和偏振等控制，在此基础处上设计和制备出高性能的亚波长分光和滤波材料，并开发和研制出若干具有自主知识产权的新型滤波和分光材料和原型器件。. 项目围绕基于纳米结构的新型亚波长分光和滤波材料研究，在新原理材料的理论探索、实验验证、性质表征和应用等方面取得了一些很有意义的研究结果，包括：第一，发展了新型纳米制备技术，在任意形状衬底上构建出三维金属纳米线结构；同时也构建了新型全介质型纳米分光结构，展示了低损耗型分光和滤波亚波长结构材料的独特性质。第二，揭示了几种金属微结构纳米线体系中等离激元传播和分光特性；将无序结构进行工程化设计，实现了光频等离激元的安德森局域化；同时给出了等离激元与相变材料的相互作用规律，实现对光偏振态和等离激元色彩的动态调控。第三，利用金属/介电微纳结构调控光的偏振态并实现对偏振光的空间分离，并且利用立体共振纳米结构阵列实现光学编码和亚波长显示以及偏振分束。第四，设计和制备出若干高性能的亚波长分光和滤波材料，研制出若干具有自主知识产权的新型滤波和分光材料和原型器件。. 相关研究成果在Advanced Materials（AM）、Nano Letters（NL）、Applied Physics Letters（APL）、Physical Review B|、Optics Express（OE）、Optics Letters（OL） 等学术期刊上发表SCI论文37篇 (其中AM 2篇，NL 1篇，APL 6篇，PR系列 4篇，OE 和 OL共12篇), 取得授权的国家发明专利 4项，申请国家发明专利 3项。在国内外重要学术会议做邀请报告21项，其中在美国材料学会秋季会议（MRS Fall Meeting）等国际重要学术会议上做邀请报告15项。项目执行顺利, 很好地完成了原先的研究计划, 并且根据国际发展的新热点, 适时地丰富了相关研究内容。