基于多模伪表面等离激元太赫兹波导器件研究

Surface plasmon polaritons (SPPs) with the nature of subwavelength confinement and strong field enhancements have found promising applications in sensitivity biosensors, superresolution imaging and integrated optical circuits. Corrugated metal surface can realize highly bound Spoof SPPs (SSPPs) at terahertz frequencies. Controlling the propagation of SPPs has drawn enormous attention in the terahertz research, which is very potential in realizing next- generation highly integrated on-chip system. The previous research on terahertz SSPP waveguides mainly focused on the propagation of single-mode. Meanwhile, the waveguide components are scarce. In this proposal, we aim to apply periodic metal microstructure to realize confined SSPPs. We will study the relationship between the geometrical parameters of metal microstructure and propagation characteristics of SSPP modes by means of theoretical calculation and numerical simulation. We will reveal the coupling mechanism of multiple SSPP modes. Based on multi-mode interference effect, we will further design waveguide components to control the fundamental and high-order mode SSPPs propagation. So as to realize different functional waveguide such as straight waveguides, bend waveguides, splitters and crossing waveguids. Our proposal will serve as a foundation of highly integrated optics devices.

表面等离激元具有克服衍射极限和场增强的特性，使其在传感、高分辨成像、集成光学等领域都有重要的应用前景。在太赫兹波段，对金属表面做皱褶处理可实现束缚态的表面等离激元，控制表面等离激元的传播是太赫兹领域备受瞩目的研究方向，有望实现新一代高度集成的光学系统。前期关于太赫兹伪表面等离激元波导的研究只关注了单模的传输并且受限于有效近场探测手段致使太赫兹波导器件匮乏。本项目利用周期排列的金属微结构实现束缚态的伪表面等离激元。通过理论计算、模拟仿真研究金属微结构的几何参数与伪表面等离激元模式种类、各模式传播属性的对应关系，弄清模式之间的耦合机制，根据多模耦合效应合理设计波导元件，利用太赫兹近场扫描系统探究基模以及高阶模式的伪表面等离激元的传播特性，并在此基础上，实现直线和弯曲波导、分束波导和交叉波导。本项目将为发展体积小、性能稳定和可高度集成光学系统奠定基础。

为了更好的推广和运用太赫兹技术，发展太赫兹集成光学系统必然成为研究重点。与传统的、非集成的离散光学元件系统相比，集成光学系统具有体积小、质量轻、结构紧凑和性能稳定等特点。然后由于光的衍射使光子器件的尺寸都为波长量级，难以实现集成化光学系统以及与电子器件互联。伪表面等离激元的出现为解决上述问题提供了一种有效手段。本项目对金属表面做皱褶处理，利用周期排列的金属柱子在太赫兹波段实现束缚态表面等离激元。在此基础上，开展了太赫兹表面等离激元波导和表面等离激元透镜等相关功能器件的研究。通过控制传输器件中金属结构旋转的角度实现对伪表面等离激元模式特性的控制，基于马赫-曾德干涉仪设计光开关和波分复用器，实现了对表面等离激元开关的控制以及频率选择性输出的控制。基于定性耦合波导，通过控制金属微结构的旋转角度控制两波导之间的耦合强弱，实现了可控分束比的1×2、1×3多端口分束器件。除此之外，根据金属微结构尺寸的连续变化会导致模式有效折射率渐变这一特性，设计了折射率渐变的等离激元透镜：自聚焦透镜、伦勃透镜、鱼眼透镜等，实现对表面波传输的控制。项目在《Advanced Optical Materials》、《Optics Express》国际期刊发表论文5篇，正申请国家发明专利1项。研究成果为发展太赫兹表面等离激元功能器件奠定了基础，在未来集成化光学系统方面具有应用前景。