基于非线性Fano共振人工电磁材料的超快光开关

In this project, we propose to study plasmonic metamaterials with Fano resonanances and its application for ultrafast optical switching. The first Fano-band will be designed with resonance when pumped with laser in the wavelength range: ~ 1.2 - 1.4 μm. At this resonant wavelength, pumped energy would be strongly localized in the metamaterial device, thus enhancing the nonlinear optical process and the induced refractive index change is expected to be maximized. The second Fano-band is designed with resonance that corresponds to the wavelength of probe laser (with wavelength: 1.5 μm to 1.7 μm). The resonant nature at the second Fano-band is enhancing the sensitivity of transient reflection of the probe signals. Finally, the Fano resonant metamaterial device will be fabricated on silicon waveguide. Using side pumping and end coupling configuration to study its ultra-fast switching characteristics, this research aims to achieve ultrafast optical switch with response time less than 200 femtosecond in the designed metamaterial device.

本项目旨在研究具有Fano共振特性的人工电磁材料（Metamaterials）及其在超快光开关领域的应用。首先设计具备双Fano共振特性的人工电磁材料，其中第一个共振波段会设计在1.2-1.4 μm 波长区域。在这一近红外波段，飞秒泵浦激光（pump laser）可以在金/介电材料/金的人工电磁材料内部产生强烈局域共振，进而增强非线性光学过程的效率及人工电磁材料折射率的非线性改变。飞秒探测激光 (probe laser) 设计在第二个Fano共振波段（波长1.5-1.7 μm），在这一通讯波段Fano共振可以提高瞬态反射信号的灵敏度。在此基础上，将双Fano共振的人工电磁材料制备在硅波导上面，采取侧面泵浦，单模波导端面收集信号光的方式，研究此人工电磁材料的超快光开关应用。目标是实现开关速度在200飞秒以下并且有较高的调制深度的光学器件。

本项目旨在研究具有 Fano 共振特性的人工电磁材料（Metamaterials）及其在超快光开关领域的应 用。主要的产生原理是通过 SPP、LSP、MPP 等光学模式之间的干涉效应设计了多种Fano 共振系统。例如，我们在理论和实验上验证了 Rabi 能量劈裂现象。此外， 我们完成了金属-介质-金属、金属-硅波导等复合超构器件的设计，顺利实现基于电子束曝光、金属lift-off、介质的干法刻蚀等技术的微纳样品加工制备，并掌握了探测信号光与泵浦光垂直于器件表面入射时，泵浦光和信号光的耦合效率、偏振依赖、光开关的速度等之间的关系。在线性光学范畴，通过自建的角度分辨透射反射系统，实现了可见、近红外光波段的超构材料的光学表征，并成功测量Fano共振现象。. 完成了飞秒激光泵浦探测系统的改造。实验室原有飞秒激光系统：800 nm波长的飞秒激光振荡器经过再生放大器之后，用以泵浦光学参量放大器产生可见光波段宽带可调的飞秒脉冲输出作为探测激光。一部分800 nm 波长的光用作泵浦激光，并使用单色仪分光探测信号光的瞬态反射或者透射。经过前期实验验证，环境震动对实验室光台影响较大，对于实用100飞秒尺度的激光进行实验有较大难度。为解决此问题, 我们新购置一台超连续激光，并自助设计了新的时间分辨的泵浦和探测装置，新的泵浦-探测系统已经在用于非线性三次谐波、基于Kerr效应的光开关实验测量中。. 我们在实验上验证了具备 Fano 共振特性的超构材料上 SPP 增强的三次谐波辐射；通过使用叉型金超构材料，通过三倍频过程产生非线性涡旋光束。由于飞秒激光系统优化提升等方面造成的时间延误，我们在超快光开关的研究方面稍有滞后，希望今年内取得不错进展。. 通过本项目，发表论文5篇、申请美国专利两项，已获得授权一项。培养优秀博士两名，硕士一名。另外，实验室积极参与国内、国际交流，提高了课题组在非线性超构材料领域研究的影响力。