基于表面等离激元耦合谐振腔系统的特性及应用研究

Surface plasmon polaritons (SPPs), propagating along the metal surface, have tight field confinements and can break the diffraction limits, so they have wide applications in nano-optics. Because of the ultra-small cavity volumes and high optical performances, the metallic nano-resonators based on SPPs have attracted tremendous interests in highly integrated photonic devices. This project mainly focuses on the characteristics and applications of plasmonic coupled-resonator systems, which are used to suppress the resonators' radiative losses and decrease the metallic ohmic loss. This can result in sharp response line-shapes and significantly increase the devices' performances. In the project, the coupled mechanisms, principle, and induced phenomena in the coupled-resonator systems are systematically investigated using the finite element method and the scattering matrix theory. The induced phenomena in the coupled-resonator systems, such as asymmetric response spectra, electromagnetically induced transparency, and electromagnetically induced absorption, exhibit sharp and narrow response line-shapes, which can greatly increase the devices' performances. Based on the induced phenomena, the compact coupled-resonator systems are designed and fabricated in the multi-layer structures such as dielectric-dielectric-metal and dielectric-metal-dielectric structures. At last, various ultra-compact SPP devices with high contrast of filtering, splitting, demultiplexing, and modulating are realized experimentally.

表面等离激元是局域在金属表面的电磁波，具有很强的场束缚，能突破衍射极限，因此在纳米光学领域显示出巨大的应用前景。其中，基于表面等离激元的金属微纳谐振腔由于具有超小的腔体积和良好的光学性能，在高集成度光学回路中引起了广泛的研究兴趣。本项目重点研究表面等离激元耦合谐振腔系统的光学特性及应用，通过耦合谐振腔结构的设计，抑制谐振腔的辐射损耗并降低金属的欧姆损耗，得到极陡极窄的响应谱，从而实现高性能、超紧凑的表面等离激元功能器件。主要研究内容包括：采用有限元软件和散射矩阵理论相结合的方法研究表面等离激元耦合谐振腔系统中的复杂耦合机制及物理现象，如非对称谱的产生、电磁感应透明、电磁感应吸收等；基于这些原理和现象，在金属-介质多层膜结构上可控地设计耦合谐振腔系统；通过多种加工技术和方法制备出耦合谐振腔结构；最后进行光学表征，在实验上实现对比度很高的波长过滤、分束、解调、调制等功能的表面等离激元器件。

基于表面等离激元的金属微纳谐振腔由于具有超小的腔体积和良好的光学性能，在高集成度光学回路中引起了广泛的研究兴趣。本项目重点研究表面等离激元耦合谐振腔系统的光学特性及应用。主要研究内容包括：采用有限元软件和散射矩阵理论相结合的方法研究表面等离激元耦合谐振腔系统中的复杂耦合机制及物理现象；基于这些原理和现象，在金属-介质多层膜结构上可控地设计耦合谐振腔系统；通过多种加工技术和方法制备出耦合谐振腔结构；最后在实验上实现高性能的表面等离激元功能器件。..在青年科学基金项目的资助下,该项目严格按照申请书进行，在理论和实验方面取得了一定的成果，已发表SCI论文18篇，包括一篇Laser & Photonics Reviews (内封面文章), 一篇nanoscale(封底文章)、一篇Analyst(封底文章)、 三篇Scientific reports、四篇Optics letters、两篇Applied physics letters、三篇Plasmonics、一篇Optics express、一篇Chinese physics letters、一篇Chinese Science Bulletin。发表论文已被引用190次。申请5项国家发明专利，已授权2项国家发明专利。理论上，该项目系统地研究了表面等离激元单谐振腔、双谐振腔和多谐振腔中的新颖物理现象，弄清了其中的物理机制。并在金属-介质-金属波导结构中设计了该耦合谐振腔系统，获得了单Fano共振、双Fano 共振和多EIT现象。其中发表在Optics letters上的多EIT文章在多功能纳米光子器件中具有重要应用，已被引用44次。本项目发展了磁控溅射、旋涂、和化学合成等制膜方法，并结合FIB和EBL制备了耦合谐振腔结构，在双耦合谐振腔中利用Fano共振实现了亚微米尺寸双向全光开关，在超小光通信和光计算回路中具有广泛应用前景，该论文发表在Scientific reports上，已被引用31次。另外，本项目还设计并实现了一种亚波长尺寸的金属脊形波导，实验上研究了该波导的传输特性和激发特性，其中发表在Laser & Photonics Reviews的文章被选为同期内封面文章，在北京大学物理学院主页进行报道。该亚波长脊形波导有望在波导-腔结构中研究多腔耦合和多模式耦合等物理问题。