硅基混合纳米等离子光波导与器件及可调控性研究

It is a very essential to achieve ultra-dense photonic integration circuits as well as the tunability, which is becoming more and more urgent because of the increasing demands for optical interconnects. The silicon hybrid nanoplasmonic waveguide proposed by the applicant provides a solution for that regarding the low loss, the strong optical confinement as well as easy tunability and switchability. Therefore, this project is going to focus on the ultra-dense nanophotonic integration circuits based on silicon hybrid plasmonic waveguides. The following three subjects will be included. (1) Fundamental investigation on the physical behaviors and effects of light confined in silicon hybrid nanoplasmonic waveguides. (2) The passive and active silicon hybrid nanoplasmonic devices for optical tuning as well as switching. (3) The fabrication and characterization of silicon hybrid nanoplasmonic waveguides and devices. The goal of this project is to find solutions for silicon hybrid nanoplasmonic waveguides/devices to have low propagation loss, and efficient optical switching / tuning. In this project, low-loss silicon hybrid nanoplasmonic waveguides to be developed is as small as 100nm or less. Ultra-dense passive and active nanophotonic integrated devices to be realized is expected to have a footprint at the order of μm^2. This will be very useful to establish a platform for future nanophotonic integrated circuits.

如何获得超高集成度纳米光子器件并使之具有可调控性是光集成领域关键问题。随着光互连的发展，这个问题显得尤为紧迫。申请人提出了一种硅基混合纳米等离子米光波导，具有低损耗、小尺寸、易调控等优点，为之提供了一条有效途径。本项目拟围绕"硅基混合纳米等离子光波导与器件及可调控性研究"的主题，具体开展：（1）低损耗硅基混合纳米等离子光波导中光场局域化等物理行为效应研究；（2）硅基混合纳米等离子集成光子功能器件及其热光/电光可调控性研究；（3）硅基混合纳米等离子光波导器件制备工艺和测试表征研究。着重解决混合纳米等离子光波导损耗问题、高效率热光/电光调控问题等。研制出特征尺寸10~100nm的低损耗新型硅基混合纳米等离子光波导、尺寸为μm^2量级的超高集成度纳米光子无源器件、以及具有热光/电光调控功能的有源集成光子 器件等，为实现纳米光电子集成提供理论依据和实验基础。

如何获得超高集成度光子器件并使之具有可调控性是光集成领域关键问题。普通硅纳米光波导虽能获得亚微米尺度光场约束，但仍未突破光学衍射极限。.本项目采用所提出的硅基混合表面等离子体纳米光波导为解决这个问题提供了一条有效途径。针对超高集成度和可调控性重大需求，在超小型偏振调控器件、热光/电光调控器件、光热效应及探测器等方面取得了一系列重要进展，在Nanophotonics、Optics Letters、Scientific Reports等本领域权威期刊发表论文15篇。.主要研究内容、重要结果、关键数据及其科学意义阐述如下。 .（1） 基于硅基混合纳米等离子光波导，提出并研制了基于光栅结构的超小型光学起偏器件，并利用其TE/TM偏振模场具有空间分离的特点，构建了尺寸仅为1.8 × 2.5 μm2的偏振分束器（目前报道的最小PBS器件）。.（2） 提出了一种新型硅基石墨烯混合表面等离子体纳米光波导，并对其损耗、光场局域化、电光调制等进行了深入研究，继而构建了一种波导宽度仅100nm、长度仅150nm的超小型电光调制器，其插损约0.7dB，消光比超过10dB；构建了一种基于非对称耦合结构的电光开关，其长度仅1.2μm，消光比高达24dB。为实现可调谐/可切换中红外光子集成器件提供了一种方案。.（3） 基于硅基混合表面等离子光波导，提出并成功研制出一种光热效应的超小型光探测器，并与桥式电路单片集成。该探测器长度仅为~3微米，是目标报道的最小尺寸，并易于阵列化。工作于2V偏压时其响应度为17.7 mV/mW。其工作波长可以覆盖1.2-6μm的超大范围，对于未来发展中红外硅基片上光传感集成系统具有重要应用价值。.应邀在Photonics West 2014等重要国际会议作特邀报告8次，并在《Materials》等发表特邀论文。4篇论文入选了2014年美国光学学会《Optics Letters》公布的最近两年集成光学领域20篇Top Downloaded Articles。成果被SPIE Newsroom以“Integrated circuits with silicon hybrid plasmonic waveguides”为题进行了专文介绍（http://spie.org/x110609.xml），项目组2名博士生获2014年亚洲光纤通信与光电国际会议（ACP）最佳学生论文奖。