表面等离子激元与介质导波模式耦合特性的研究

表面等离子激元（Surface Plasmon Polariton, SPP）作为一种存在于金属表面的特殊电磁场形式，具有许多传统光波模式没有的特殊性质，为光电子器件的发展、突破现有瓶颈问题带来了希望。本项目将研究SPP模式和介质导波模式的耦合机理和特性，探索微纳结构金属SPP―介质耦合结构的制备工艺和测试方法，利用SPP的独特物理特性和传统介质材料基器件的优势，提出并实现具有新功能、新特性的基于SPP-介质导波耦合结构的新型光子集成器件，在下一代新功能光电器件的研究上取得的突破。研究内容包括SPP导波模式的特性分析，SPP和介质导波模式耦合机理的分析，耦合结构的工艺实现及测试，基于相关耦合结构在传输、分束、调制、传感等功能器件的探索，力争在SPP-介质导波模式耦合的物理机理、理论设计，相关器件的工艺制备、测试技术方面探索出一条的新路。

本项目将研究SPP 模式和介质导波模式的耦合机理和特性，探索微纳结构金属SPP―介质耦合结构的制备工艺和测试方法，利用SPP 的独特物理特性和传统介质材料基器件的优势，提出并实现具有新功能、新特性的基于SPP-介质导波耦合结构的新型光子集成器件。项目研究工作开展顺利，达到任务书研究目标的要求。取得了以下研究成果：.1. 提出并证明了异质混合波导结构（纳米金属SPP波导+介质光波导）的电磁模耦合激励原理，实现了两种不同形态电磁波的高效能量转换。阐明了SPP与光波耦合的机理和特性，观测到长程和短程SPP与光波的耦合效率均> 99%；证实了SPP与TE光波不发生耦合，实现了纯TM偏振分束器和长度90μm、消光比30dB的TE光起偏器。异质耦合的实现不但解决了以集成方式有效激励SPP的难点，并将推动SPP器件与传统光电器件混合集成。.2. 探索了SPP模式对纳米有机分子的敏感特性以及传感机理。在理论分析短程SPP模式特性的基础上，发现了短程SPP对尺寸仅为几纳米的有机分子异常敏感，进一步研究了短程SPP模式与介质波导模式耦合受纳米分子层厚度变化的影响，实现了基于异质波导耦合结构的传感芯片，可分辨几个纳米厚度分子层的变化，厚度变化传感分辨率达1.65dB/nm，优于其他集成器件一个量级以上，同时论证了其应用于生物免疫反应的可行性，探测双酚A分子的传感灵敏度达到0.1ng/ml。.3. 研究了SPP增强材料光-电转换特性。基于核（金属）壳（介质）复合纳米颗粒SPP场的折射率相关性，提出并证明了一种SPP局域场增强机制，实验观测到植入复合纳米金颗粒的硅太阳电池效率得到提升；阐明了金属纳米颗粒局域SPP场增强效应对有机、染料敏化薄膜太阳电池效率提升起主导作用，提出并实现了“SPP双峰”增强和“爆米花合金纳米颗粒”增强电池结构，有机和染料敏化太阳电池的效率分别获得25%和32%的提升。.4. 探索了“双SPP吸收”效应及其应用。理论预测并实验观测到金属纳米结构表面非线性材料中发生的同时吸收两个SPP量子的效应，进一步探索了基于双SPP吸收效应的纳米光刻，论证了双SPP吸收纳米光刻的阈值效应，实现了特征尺度为50nm的光刻图形，并有望通过减小曝光功率、调整曝光时间在大视场下实现纳米光刻图形。