基于表面等离激元混合波导中金属表面电子浓度分布调控的光调制特性研究

Traditional optical modulators are usually achieved by controlling dielectric properties of optical media. Due to the relatively low photoresponse, it’s difficult to realize all optical modulation in weak light. By combining traditional optical modulators with surface plasma polaritons (SPPs), field enhancement localized on metal surface results in significant increase of photoresponse and modulation efficiency. As strong coupling mode of photon and electron collective oscillation, modulation efficiency can be further improved by controlling the metal property at the same time. . We propose to achieve optical modulation in metal-insulator hybrid waveguide by directly controlling electron concentration distribution on metal surface. It provides a new method of optical modulation without relying on optical media. This project firstly plans to analyze the effect of whole electron concentration change and electron concentration distribution on the SPPs propagation and build the revised Drude model in the presence of wavelength scale electron distribution, based upon the fabrication of two-arm hybrid waveguide M-Z interference modulator and one-arm hybrid waveguide grating-coupled modulator and the study on their electro-optic modulation characteristics. Secondly, we will design all optical modulation structure by utilizing optically excited localized surface plasma oscillation to control electron distribution in hybrid waveguide, and study on the phase dependence of incident light and transmission SPPs. Finally, we will explore the solution of all optical modulation in weak light by combining electron concentration distribution and photoresponse of optical media.

传统光调制器基本是通过调控介质光学特性来实现的。由于介质光致响应小，很难有效实现弱光调控弱光。与等离激元结合，表面局域光场增强使得介质的光致响应与调制效率显著提高。作为光子和电子集体振荡的强耦合模式，同时调控金属的材料性质还可进一步提高调制效率。. 我们提出在表面等离激元混合波导中直接调控金属表面电子浓度分布来实现光调制。它提供了一种不依赖于介质材料的新型光学调制方法。本项目拟在制备双臂混合波导M-Z干涉结构与单臂混合波导光栅耦合结构并研究其电光调制特性的基础上，分析金属表面整体电子浓度变化与电子浓度空间分布对等离激元传输特性的影响，建立金属表面电子浓度存在波长尺度的空间分布时修正的金属自由电子气模型；利用光场激发局域表面等离激元共振来调控混合波导中金属电子浓度分布，设计全光调制结构，研究其相位敏感等特性；最后结合电子浓度分布与介质光学特性的双重调控，探索弱光控制弱光的全光调制方案。

表面等离激元的传播不仅和电子的运动特性有关，还与电子浓度的分布息息相关。因此，我们提出了一种直接通过改变电子浓度分布来调控表面等离激元的新方法。我们首先设计了一种石墨烯-介质-叉指电极的混合结构，直接通过电极调控石墨烯表面电子浓度的空间分布。在不同电压的情况下，电子的空间浓度分布以及受限范围都发生了变化，共同导致了共振峰的移动。实验测得的共振峰移动的最大距离为33 cm-1，实现了对于表面等离激元共振频率的调节。此外，我们利用此结构来激发表面等离激元，由于在不同电压下，石墨烯表面的电子浓度有着不同的空间分布，导致石墨烯可以等效为一个动态光栅。不同深度以及占空比的光栅对于表面等离激元的激发效率不一样，其吸收率变化了10.2%，实现了对于其幅度的动态调控。其次，我们提出了一种利用周期性的空间电子浓度分布来调控表面等离激元幅度的方法，并在光栅-介质-石墨烯的混合结构中进行了验证。通过在光栅和石墨烯之间施加电压，石墨烯表面的电子浓度呈现周期性的空间分布，导致费米能级呈现周期性的空间分布，传输的表面等离激元的幅度因为散射效应而得到调制。和整体电子浓度调控的方法相比，周期性空间电子浓度分布调控的方法调制深度提高了18.6 dB。然后，我们设计了一个M-Z干涉仪结构的相位调制器，在它的上下臂各嵌入有一小块由ITO组成的调制区域，增强了表面等离激元和调制区域ITO的相互作用，导致ITO中微小的电子浓度分布变化都可以对表面等离激元的相位产生很大的影响。结果表明，在调制区域电子浓度变化4×1020 cm-3，调制区域长度为4 μm时，调制深度可以达到15.2 dB。最后，我们利用一个光栅-石墨烯-介质-硅的复合结构，通过整体电子浓度的分布调控同时实现了对于表面等离激元幅度、频率以及相位的联合调控。