基于光波导的光场调控及其在微流传感中的应用

Waveguide is the basic component in Integrated Photonics. The function of the waveguide is decided by its structure and material. This project will tailor the optical field in the waveguide via the metasurface and two-dimensional materials, in order to control the optical field in a smaller scale and increase the function of waveguides. This project will focus on three topics. 1) Use the metasurface to modulate the vector of guided light in the waveguide, and build new output window for the waveguide. 2) Modulate the intensity of guided light in the waveguide by the two-dimensional materials. 3) Integrate metasurface, two-dimensional material and waveguide into the micro-fluidic chip, to realize the biosensing.

光波导是集成光子学中最基本、最重要的光学结构。它的功能取决于光波导的结构以及基质材料。本申请项目拟在现有光波导的基础上，利用超表面和二维材料，在更小的尺度上对波导内光场进行调制，增加或改进光波导的功能，促进功能光波导在微流控领域的应用。具体工作包括，1）在光波导界面上制作超表面，通过超表面与光场间的耦合作用，调控光波导内的光信号，构建新型波导耦合窗口；2）将二维材料覆盖在光波导表面，通过消逝场吸收的方式，对光波导内光场强度进行调制。3）基于超表面、二维材料的光波导结构与微流芯片结合，通过检测光波导内光场的变化，探测微流通道内液体的信息。

我们提出飞秒激光直写与化学腐蚀相结合，构建镂空光子晶体光波导的新思路；我们发现缺陷结构可以调控二维材料的物理化学性质，解释了缺陷对二维材料能带结构调控的物理机制，推动了二维材料在光电探测、杀菌领域的应用。具体研究结果包括：1）新型类光子晶体光波导结构：借助飞秒激光直写构建损伤区，进一步通过化学腐蚀镂空波导结构，形成光子晶体结构。该工作对微流控传感以及中红外光信号探测的研究具有重要作用。2）光波导倍频：基于周期性计划碳酸锂晶体波导实现光信号倍频。该工作制备的非线性光波导，为变频和纠缠光子源等器件的制备提供了新的方案。3）缺陷调控二维材料：揭示了缺陷对二维材料内光生载流子迁移方向、强度的影响。借助缺陷的调控，可以为制备高灵敏度、正负光电探测器提供理论依据。