基于介质—金属纳米线复合结构的非线性微纳光子器件研究

表面等离激元（SPP）在纳米尺度光信息载体方面显示出了潜在的应用前景，研究基于SPP的非线性光子器件对于高密度光子集成的实现具有积极的推动作用。本项目基于在复合型纳米尺度SPP结构中实现的高效率SPP强约束导波和耦合等突破性进展，提出将介质-金属纳米线复合结构用于以光调制器为典型应用的SPP非线性光子器件的研究。通过使用非常紧凑的介质纳米线与金属纳米线的接触式近场耦合方式，高效率地输入信号光与控制光，基于光与SPP的非线性相互作用以及介质、金属纳米线不同的导波和色散等特性，利用"光子-表面等离激元"复合型结构实现超小型、低功耗超快光调制器。研究结果对于发展新型高性能SPP非线性光子器件、高密度"光子-表面等离激元"复合集成及其与标准光纤系统兼容等技术具有重要意义。

本项目针对纳米线波导的光学特性及其非线性微纳光子器件应用，在金属纳米线传输特性的理论分析、复合结构超快全光调制器的研制、以及基于标准光纤的“光子-表面等离激元”复合回路的实现等方面进行了系统研究。取得的重要研究结果如下：（1）系统分析了金属纳米线表面等离激元的传输特性，特别针对实验过程中纳米线需要衬底支撑的实际情况，从理论上分析了介质衬底对于金属纳米线表面等离激元传输的影响，获得了Au和Ag纳米线在典型表面等离激元谐振波长处的传播常数、功率分布、有效模场面积、传播长度与损耗等特性，为金属纳米线的器件设计制备与实际应用提供了有效的参考；（2）基于理论计算建立了纳米线波导表面场增强及其与石墨烯的非线性相互作用模型，实验研制成功石墨烯包覆半导体纳米线复合结构超快全光调制器，实现了阈值低至1.3W（峰值功率）的饱和吸收响应（为目前国际上在波导型石墨烯结构中报道的最小功率），并维持了2ps量级的超快调制速率，在光通信、超快光信号处理等方面具有潜在应用价值；（3）提出并实现了金属纳米线与标准光纤系统的集成和器件应用方案，通过从标准光纤一端拉制的纳米光纤与Ag纳米线近场耦合，实现了785nm 波长处从标准光纤到Ag 纳米线单偏振态92%的“光子-表面等离激元”转化效率（为目前国际最高实验耦合效率），进一步在通信波段实现了包括环形谐振腔和Mach-Zehnder（MZI）干涉器的全光纤“光子-表面等离激元”复合器件，其中复合谐振腔的品质因子（Q值）达到6 000 000，MZI的消光比达到30dB。在Opt. Express、Nano Lett.、Laser & Photon. Rev.、Acc. Chem. Res.等期刊发表学术论文10余篇，本项目通过对纳米线波导及其器件应用的研究，首次总结并提出了深亚波长纳米线波导传输中“损耗-约束-带宽”的平衡制约关系，分析了纳米线用于亚波长光学传输的机理和优势，对于未来纳米线光学传输和微纳光子器件应用的发展具有一定的意义。