混合不同金属包覆介质波导构成纳米光器件及性能研究

The optical waveguide and devices based on surface plasmon polaritons (SPPs)，one of the key technologies of realizing the future nanoscale integrated all-optical networks, have attracted a lot of attentions, and the research of these SPPs devices has got great progress in recent years. Developing the high-performance SPPs devices with small effective cross-sectional area, which is also easily to be fabricated and integrated, has been an important link of the practical application of them. Based on the difference and the advantages of the properties of SPPs propagation in different kinds of one-dimensional metal coated dielectric slab waveguides, we propose a way to design SPPs devices by hybridizing different kinds of metal coated waveguides. The proposals is planned as follows: 1) we carry out the study of optimally designing two-dimensional SPPs waveguide with very small cross-sectional area by the method of hybridizing different metal coated waveguides, and design other waveguide devices based on the designed optimal results; 2) Constructing the compound system of SPPs waveguide and optical metamaterials, and studying the mechanism of the coupling and interaction between propagating SPPs in the waveguide and localized SPPs in the metamaterials, and developing the application of the compound system in the area of nano optical color separation and nano photoelectric modulation, etc. ; 3) Designing periodical or non-periodical SPPs devices to realize nano beam collimating, focusing or splitting, based on the method of hybridizing different metal coated waveguides.

表面等离激元（SPPs）光波导及器件是实现未来纳米集成全光网络的核心技术之一，对它们的研究引起了广泛兴趣并取得了巨大的进展。发展既有效横截面积小又易于加工集成的高性能SPPs元件是其走向实际应用的重要环节。基于SPPs在不同金属包覆一维平板波导中传输特性的差异及优点，我们提出混合不同金属波导设计SPPs元器件。本申请项目拟开展如下工作：1）研究利用混合波导法构建、优化设计具有超小横截面积的SPPs二维波导，并基于该波导设计多种波导元件；2）利用混合波导法构建SPPs波导与光学超常材料的复合系统，研究波导中传播SPPs与光学超常材料中局域SPPs的相互耦合机制，开发复合系统在纳米光分色、纳米光电调制等方面的应用；3）利用混合波导法设计可实现纳米准直、纳米聚焦、纳米分束等效应的具有周期和非周期光栅结构的SPPs器件。

通信的日益发展和不断增加的信息处理需求，需要未来有更高速、更高带宽容量、更高集成度的处理芯片来支撑。然而，传统微电子芯片逼近物理极限，而以光子为信息载体的光子回路受衍射效应而难以实现高集成度。表面等离激元（SPPs）是一种局域在金属与介质界面的电磁波模式，是光子和电子的混合体，具有突破衍射极限的能力，并能将光能束缚在亚波长尺度达到局域增强的效果。SPPs的应用领域在不断拓展，如纳米光器件、生物传感/检测、信息存储、纳米光刻、纳米光源、太阳能电池以及光电探测等方面。本项目基于SPPs特性开展了纳米光波导及波导器件、以及光电探测器件等方面的研究，具体如下：1）提出并开展了利用混合波导法设计三维SPPs波导，获得了对光束缚力强且横截面积超小（70nm×80nm）的三维纳米SPPs光波导，该波导结构简单易于加工制备，也易于与其它纳米光波导器件集成；2）基于所设计的三维纳米SPPs光波导，设计了多种三维光波导器件，如弯曲波导、定向耦合器、单/双臂环形共振器、纳米聚焦器、Mach-Zehnder干涉器以及三维纳米SPPs波导阵列等，这些器件体积小，性能良好，且易于加工和集成，这些器件在纳米光波导器件和光通信领域有一定的应用前景；3）基于所设计的三维纳米SPPs波导阵列，探索了在其中实现多种特殊光学现象（如Bloch振荡、周期性聚焦、离散Talbot效应）的可能性，获得了很好的效果，实现了这些现象在三维纳米波导阵列的突破；4） 研究了超常材料与金属纳米波导构成复合波导结构中SPPs的传播特性，研究了超常材料对传播SPPs的局域和调制特性，并设计了超常材料局域SPPs型T型波导分光器件，获得良好的效果；5）研究了利用混合波导法设计纳米光准直器件，获得较好的准直光束；6）研究了一步热蒸发法直接制备化合物半导体(如ZnS、CdSe )纳米管，并利用金属纳米线与ZnS、CdSe 纳米管材料构成全纳米结构光电探测器件，两种全纳米型光电探测性能良好，其中ZnS纳米管-Ag纳米线全纳米光电探测器开关比高，响应速度快，在紫外光电探测领域具有一定的应用前景。