基于平面内泵浦的全光超快可调谐表面等离激元感应透明及其应用研究

Just like the classical electromagnetically-induced transparency, plasmon-induced transparency (PIT) has important applications in fields of nonlinear optics and integrated photonic devices. Nowadays,the international problem in the field of PIT and applications lie in that it is difficult to realize chip-integrated PIT in the plane parallel the surface of metallic microstructures, and ultrafast and low-power all-optical tunable on-plane chip-integrtaed PIT based on on-plane pump method.This project explores the method of realizing on-plane chip-integrated PIT by using single surface plasmon composite microcavity, and surface plasmon coupled microcavities. This project explores the approach to realizing nanocomposite materials having ultrafast response time and large third-order nonlinear susceptibility by using quantum confinement enhancing nonlinearity, resonant excitation of surface plasmon polariton enhancing nonlinearity, and local filed enhancing nonlinearity. This project explores how to realize all-optical tunable chip-integrated PIT based on on-plane pump, having ultrafast time respoanses and low pump power. This project explores the applications of all-optical tunbale chip-integrated PIT based on on-plane pump in the field of nanoscale integrated photonic devices, including all-optical switching, all-optical tunable filter, and wavelength-division multiplexing.

表面等离激元感应透明（PIT）类似于经典的电磁感应透明（EIT）， 在非线性光学和集成光子器件领域具有重要应用。目前国际上在PIT及其应用领域的实验研究中存在的难题是，难以实现在平行于金属微纳结构表面的平面内片上集成PIT，以及在平行于金属微纳结构表面的平面内泵浦的全光超快速低功率可调谐片上集成PIT。本项目探索利用单个表面等离激元复合微腔、以及表面等离激元耦合腔等方法来实现平面内片上集成PIT；探索利用量子局域效应增强非线性、表面等离激元共振增强非线性、局域场增强非线性等方法实现具有超快响应和大三阶非线性极化率的纳米复合材料的途径；探索实现平面内泵浦的全光可调谐片上集成PIT的方法，并实现超快时间响应和低泵浦光功率；探索平面内泵浦的全光可调谐PIT在微纳光开关、可调谐滤波器和波分复用器等微纳集成光子器件中的应用。

表面等离激元感应透明是实现微纳集成光子器件的重要基础，本项目探索平面内泵浦的全光可调谐表面等离激元感应透明的实现方法，及其在微纳光开关等微纳集成光子器件中的应用。提出一种通过单个复合微腔共振模式相干耦合实现平面内芯片上集成表面等离激元感应透明的新方法，在金薄膜刻蚀SPP波导中引入一个复合微腔，利用单个复合微腔所支持的辐射模式与非辐射模式的相干耦合，实现了片上集成的表面等离激元感应透明，透明窗口的中心波长位于850 nm，透明窗口中心的透过率与透过禁带的对比达到80%，将微腔特征尺寸减小一个数量级，微腔特征尺寸减小到600 nm。提出一种利用单个金属/介电复合微腔实现芯片上多个表面等离激元感应透明窗口的新方法，制备出金薄膜表面等离激元微腔/二维硅光子晶体微腔横向异质结，通过将一个宽带表面等离激元微腔与两个窄带模式的硅光子晶体微腔模式相干耦合，同时在光子回路中获得两个透明窗口，透明窗口的中心波长分别位于1508 nm和1620 nm，并且透明窗口的群折射率提高了1个数量级，群折射超过400，具有很强的慢光效应，整个复合微腔的尺寸仅为2微米。我们提出了一种通过表面等离激元辐射模式到非辐射模式的单向耦合实现超构材料巨大慢光效应的新方法，制备出厚度仅为40 nm的金纳米棱镜对阵列构成的超构材料，通过调控金纳米棱镜对中的两个金纳米棱镜之间的距离，测量发现当金纳米棱镜间距为156 nm时，表面等离激元感应透明的透明窗口中心波长位于1300 nm，群折射率达到4000，将群折射率提高了一个数量级。这些工作为解决表面等离激元感应透明难以芯片上集成和慢光效应弱的难题提供了一条新思路。我们也提出复合增强非线性新方法，克服了近红外和光通讯波段微纳光子器件研究面临的材料瓶颈限制，实现了多种超快响应、低能耗微纳全光开关、滤波器等微纳集成光子器件。相关工作被选为期刊 Advanced Optical Materials封面文章，并被期刊National Science Review和科技网站Advances in Engineering和Materials Views China等高度评述。