应用于片上网络的混合光子-等离子体路由研究

The surface plasmonic (SP) router with micro/nano metal structures is more compact in size than the photonic router with all dielectric structures, and has potential applications in on-chip interconnected for multi-processor system. Until quite recently, it has attracted researchers' attentions. However, the strong absorption of light in metal decreases the performance of SP devices severely. In this project, the hybrid photonic-plasmonic slot waveguide (HPPSW) is used to reduce the transmission loss, and the hybrid photonic-plasmonic router will be designed and fabricated based on HPPSW. Comparing with the SP routers which have been reported, the hybrid photonic-plasmonic router has two advantages: 1) the introduction of HPPSW reduces the signal attenuation and makes the router having more input/output ports; 2) both wavelength selective router for muti-wavelength signals and dynamic router for single wavelength signals are considered in this project. The hybrid photonic-plasmonic router not only has high academic value, but also has more potential applications in network-on-chip system for that it can link the electrical circuits and high speed optical circuits.

基于金属微纳结构的表面等离子体路由能够有效降低传统全电介质结构光子路由尺寸,在多处理器系统片上互联存在广阔的应用前景，最近刚刚引起学术界的重视。然而,在光学波段金属固有的吸收损耗严重降低了表面等离子体路由器件的性能。本项目拟采用混合光子-等离子体缝隙波导（HPPSW）结构取代传统的表面等离子体波导来降低信号的传输损耗，并基于HPPSW设计、实现混合光子-等离子体路由系统。同已有的表面等离子体路由相比，本项目的创新点在于: 1)发展低损耗结构减小等离子体路由中信号衰减，同时增加无阻塞路由端口数目; 2)同时研究多波长信号的波长路由以及单波长信号的动态路由。这一研究开辟了新的混合光子-等离子体路由研究方向，不仅有重要的学术价值，同时为智能电处理与宽带光链路提供无缝连接的过度平台，在片上网络领域具有更重要的应用价值。

低损耗、高集成度片上混合光子-等离子体路由不仅在亚波长尺寸上控光方面具有重要的科学意义，同时也是未来片上多处理器系统多核之间光互联的有效解决手段，可以实现电子回路到光子回路的无缝连接，具有重要的学术意义和应用价值。本项目开展了应用于片上网络的混合光子-等离子体路由的理论设计和实验研究，发展建立了多物理(电、热、耦合模等)模型，利用有限元/FDTD方法，设计了混合光子-等离子体缝隙波导、Cross结构、微环型腔等单元器件；理论研究了热调谐微环谐振腔谐振波长实现动态开关、基于混合光子-等离子体缝隙波导和M-Z干涉仪的低损耗路由的关键技术；设计了基于金属-绝缘体-金属（MIM）结构的新型等离子体波导，研究了等离子体激元诱导透明（PIT）效应；提出并理论研究了基于混合结构（电介质-电介质-金属结构和电介质-金属-电介质结构）的两类周期性低损耗等离子体波导系统；设计了工作在通信波段的超高Q值一维混合PHC-SPP波导微腔；探索研究了微纳光子结构中的强场增强效应，设计了基于纳米缝与金属-电介质-金属腔（NMDMC）的新型微纳光子器件；提出并理论研究了基于非对称DC结构的模式分束器；实验研究了基于飞秒激光直写技术的管状包层波导制作技术；提出并制作了高非线性、低损耗、高Q值、CMOS工艺兼容的单模微环谐振器；制作了混合光子-等离子体缝隙波导路由并进行了性能测试。本项目的研究结果为混合光子-等离子体路由应用于片上光网络等领域以及相关科学前沿、相关战略高技术与交叉学科的创新发展提供了关键理论和技术基础。