基于粒子亚波长共振的片上光束操控理论和实验研究

The metal interconnects will be replaced by its optical counterpart. Therefore, it is highly desirable to design optical devices operating below the diffraction limit and consequently, matching the electric transistors in size. In this project, anomalous phenomena for on-chip beam steering, such as negative-direction transmission, wideband negative-direction transmission and retroreflection, will be realized by a single array of particles based on the symmetry of subwavelength resonance. The anomalous phenomena will be demonstrated experimentally by using an array of silicon cylinders fabricated in silicon-on-insulator materials, and will be characterized with a combination of far-field and near-field scanning measurements. The work of the project will be implemented smoothly with the current facilities. Beyond high index contrast waveguides, plasmonics and photonic crystals, this research provides a brand new solution for high-density optical integration through a series of innovations. Furthermore, it is an inspiring attempt to explore the practical applications of fundamental research by applying these anomalous phenomena to optical inteconnects. Therefore, this study is of highly important scientific significances and applicaion values.

光互连逐步取代金属互连成为大势所趋。为了使光器件在尺寸上与晶体管匹配，需要探索突破衍射极限的新原理和新技术。本项目基于粒子的亚波长共振模式对称性，通过单层粒子排列这一简单结构实现负向透射、宽频负向透射、回射等片上光束操控特异现象，并研究其在光互连器件方面的应用；实验上，依托本单位雄厚的工艺加工和测试能力，在SOI（silicon-on-insulator）材料上制作出高介电常数光束操控结构-单层硅圆柱排列，并结合远场、近场测试方法表征片上光束操控特异现象。本项目研究通过理论创新，在硅基上实现各种光学特异现象，从而突破了高折射率差光波导、表面等离子体、光子晶体等传统概念，为高密度光子集成提供了一种全新的选择；通过研究其在硅基光互连领域的应用，积极探索基础研究成果的实用性。因此，本项目研究具有重要的科学意义和应用价值。

本课题完成了项目所规定的研究任务。深入研究了硅基纳米颗粒的亚波长共振光场模式，基于硅基粒子的亚波长共振模式对称性调控，通过单层粒子排列这一简单结构实现了负向透射、宽频负向透射、回射等片上光束操控特异现象，在SOI（silicon-on-insulator）材料上制作了光束操控结构-单层硅圆柱排列，并结合远场、近场测试方法表征片上光束操控特异现象。在科学意义上，本课题实现了单层负向透射，其是片上光束操控研究的重要组成部分，相对于现有理论模型所采用的非线性材料，我们在常规线性材料上实现单层负透射，具有设计简单、材料特性较易控制等突出优点；本课题利用共振模式的对称性在硅基上通过单层粒子排列这一简单结构实现各种光学特异现象，从而突破了高折射率差光波导、表面等离子体、光子晶体等传统概念，为高密度光子集成提供了一种全新的选择。在技术方法上，本课题采用硅圆柱作为实现片上光束操控的基本结构单元，实现了结构简单（同一种粒子单层周期性排列）、无本征吸收损耗（对1550nm波段），而且在加工上与成熟的CMOS工艺完全兼容；成功尝试了将电磁特异现象引入到硅光子学中，实现了其在硅基光互连领域的若干应用。