混合型微纳光子回路的设计、制作和应用

Exploiting the sub-diffraction-limit nature of surface plasmon-polariton waves, optical nano-antennas are able to interface light waves to nanoscale elements. A newly reported work indicated that a specially designed nano-antenna can even direct light emission into a uni-direction, like what a RF antenna does to an electric circuit. However, plasmonic waveguides suffer extremely large attenuation loss, and are not suited for large-scale optical interconnects. We propose a hybrid plasmonic-photonic circuit consisting of optical nano-antennas and a low-loss dielectric waveguide. The optical signal from an optical nano-antenna is delivered to the far end of the circuit via the dielectric waveguide, where another impedance-matched nano-antenna converts the optical signal into a unidirectional radiation. We apply this beam for bio-chemical sensing by introducing a microfluidic network to the same optical chip. Using technologies relevant to opto-fluidics, we can implement fast bio-sensing with high sensitivity and tiny reactant dose. Such capabilities have wide applications in medical diagnosis and therapy. In this project, a lot of details will be investigated ranging from design to fabrication to optical characterization. We will also develop a novel radiation microscope with variable tilt angles for characterizing the radiation properties of the hybrid optical circuit. Measurements at different sample tilt angles enables this machine to carry out more accurate analysis to radiation properties..Through the case-demonstration of this proposal, we hope to provide the community the concept that a multi-functional optical chip could be realized in a layered configuration. Consecutive efforts in this direction may lead to applicable optical chips with versatile functions.

表面等离子激元波可以打破光学衍射极限。基于此原理的光学纳米天线具备将光输运到纳米尺度空间中的能力。最新的研究表明，特殊设计的纳米天线还可以定向辐射光波。然而，基于表面等离子激元波的光学链路却承受着巨大的传输损耗，无法将多个器件连接起来。为此，我们提出将低损耗介质波导与光学纳米天线结合的混合型光子回路。接收端光学纳米天线生成的光信号经过一段介质波导传送到远端阻抗匹配的另一个光学纳米天线中，然后定向辐射出去。我们利用这束定向辐射光进行生物光学检测，待测样品置于一个微流回路芯片中。高精度小剂量的快速光学检测在医疗诊断和手术治疗中有着重要的应用。通过研究这样一个集成在同一个片子上的混合型微纳光子回路，我们试图展示光子芯片多功能分层设计的概念，为未来大规模多功能光子集成芯片提供新思路。我们的方案涵盖了设计、制作和光学表征。我们将为此开发一套新颖的具有精确分析功能的多角度辐射显微装置。

表面等离激元器件在打破光学衍射极限和提高局域场分布方面有着出色的能力，但是却不适合可扩展的光子回路布置。为了解决这一限制表面等离激元光子学发展的根本问题，同时扩展目前基于平面片上介质波导的集成光子学的研究领域，本项目对“介质波导-表面等离激元纳米天线”混合型光子回路从理论到实验进行了细致的开创性的研究。我们在学术界首次阐明了光学纳米天线（具体来讲就是几百纳米长的金棒）对辐射光的电场振幅/相位/偏振的全面的有效的操控能力。我们利用单模硅波导的导模的瞬逝场作为近场激励光学纳米天线的来源，通过调整两者的间距、金棒的长度和长轴方向，实现了上述辐射场操控能力。我们将这一操控能力描述在一组直观的方程组中。我们还进一步指出如何利用这一能力加上对硅基微环谐振腔的精确设计实现光波定向远场辐射、与激发波导阻抗匹配、以及特殊模式矢量光束产生的崭新方法。我们的工作在学术界首次展示出表面等离激元器件与集成光子器件之间可以实现性能互补并应用于某些重要的光学功能中的美妙前景。在实验上，我们制作的微纳光学样品验证了电子束曝光（EBL）技术可以实现上述理论设计所需的加工精度，我们的微纳加工精度允许实现上述混合型光子回路所承诺的光学功能，尽管这一过程还需要我们继续付出更大的努力。我们制作了7微米直径的微盘谐振腔，展示出高品质因子（Q>100K）和抗环境污染的优良性质，与目前国际上学术界的加工精度相当。我们制作的硅基单模波导可以与纳米金棒阵列实现精确对准（10nm误差）。另一方面，在目前商用的绝缘体上硅（SOI）基片上，我们做了特殊的湿法腐蚀处理。得到的基片可以作为复杂光子回路在多层间进行功能设计和布置的平台。在微纳光学测量方面，我们在一台倒置式显微镜上建设起了一套功能强大的紧凑的近场/远场光学表征系统，可以对混合型光子回路样品进行高分辨率高灵敏度的稳定测量。我们的测量涵盖了可见光和近红外光两个波段。在不远的将来，我们这套系统还将完成目前世界上独有的近场/远场同时光学成像功能，可以快速获得光场的振幅和相位分布信息。经过三年努力，我们为在一个集成光子芯片上整合进更多更特殊的光学功能，做了有益的探索。在我们面前展开的是一个全新的集成光子学应用领域，研究工作（包括一些合作研究）还会继续下去。