表面等离子体环腔模式特性及其非线性全光调控研究

本项目将表面等离子体高局域短波特性与光学环形微腔的优点以及结构增强的光学非线性效应结合，进行便于芯片集成的表面等离子体环腔模式特性及非线性全光调控研究：研究结构中非线性光学效应的引入对SPs激发、模式转化传输，模式间的（非线性）耦合及其宏观电磁特性等的影响；分析研究表面等离子体环腔的微腔模式、损耗、品质因子等特性，SPs与金属环腔模式的耦合过程，腔中电磁场与非线性材料的相互作用、相互影响的非线性光学双稳及其全光调控过程，找出光开关特征与结构的关系；通过调控构造金属环腔结构有效增强场，提高光学非线性效应；利用模间的耦合，拟通过构造金属介质离散层状光学环腔等结构设计，降低表面等离子体环腔结构的损耗，提高Q值；在此基础上实现高速快响应低阈值的全光开关，促进Active plasmonics,Nonlinear plasmonics的研究。

该项目详细研究了金属/介质复合微结构中不同模式（传播的GPP模式与局域的MP模式、SPP腔模和局域模式、明暗模式、SPP与gap模式，等）间的耦合特性，模式间的耦合，使结构表现出更丰富的色散特性、更强非线性光学效应、光吸收及更好的光调控特点；对于金属-非线性光学材料复合结构，考虑非线性耦合过程，分析了其光学特性与其特征结构参数的关系，给出了非线性全光动态调控的通道切换、光分束，以及一种结构简单、易于制备的棱镜-余弦型非线性介质光栅-金属复合的全光开关结构，使泵浦光和信号光在结构中同时激发SPP，获得了好的调制特性和光双稳效应，其最低泵浦阈值低于0.9GW/cm2。为提高耦合效率，提出了便于用波导耦合理论分析的、有较长耦合区域、可增强非线性效应的跑道形金属环腔，分析了该腔结构参数对于临界耦合点的影响，选择合适的结构参数使1.55m波长达到临界耦合，消光比为34.5dB。将表面等离子体高局域短波特性与光学环形微腔的优点以及结构增强的光学非线性效应结合，给出了表面等离子体共振微腔非线性理论的解析方程，分析了非线性金属跑道微腔的双稳特性，获得了此结构的开关现象，其开关比95.45%，开关时间约为0.38ps；为降低SPP腔的损耗、提高Q值，研究了各向异性界面SPP物理及其全光调控，理论分析了SPPs在金属和各向异性介质面的色散关系, SPPs的传播常数和材料的光轴的取向有紧密的关系，给出了各项异性材料对传播常数和传播长度的影响，基于各向异性材料实现SPPs全光调控。利用模间的耦合等，提出了银纳米环-介质-银膜结构SPP-Gap 共振环腔,有效地提高了Q 值、减小了模体积，优化参数后，Veff 和Q/Veff分别达0.0083μm3 和1.6×104μm-3；以及高Q/V的银纳米线-介质-银衬底结构之FP-GAP复合腔，基于此腔结构，给出了其理论简化模型，理论结合数值模拟分析了其共振透射谱特点，选择优化参数，其Veff 和Q/Veff分别为0.0026 (lamda/n)3 和1.4×105μm-3。.该项目已发表学术论文11篇，其中SCI论文8篇（APL 1篇，OE 2篇，Plasmonics 1篇，PRE 1篇，JAP 1篇，OC1篇，COL1篇，科学通报1篇，量子电子学报2篇）；申请发明专利2项；培养博士3人，硕士3人。