基于齿状结构的纳米表面等离子激元可控性与全光功能波导器件研究

如何实现突破波长极限的纳米可调滤波器、光开关、慢光缓存器等功能器件，是实现纳米光电和全光集成的关键，是当今纳米光学领域的一大研究热点和挑战。本项目拟开展基于齿状及其延伸等结构的纳米表面等离子极化激元可控性及其全光功能波导器件与特性研究，探讨光与等离子极化激元相互作用机制及其外部光电调控规律，揭示纳米表面等离子极化激元结构的可控制性以及非线性纳米结构在外光场作用下的局域和传输规律，开展新型纳米可调滤波器、全光开关、慢光缓存器理论研究和初步实验尝试。本项目对于促进纳米导波光学理论和纳米光子学科发展，对于突破目前已有器件不可调的制约、研制纳米光开关和可调滤波器等光通信传感功能器件，对于推动纳米可控平面集成光电和全光功能器件的发展，获得有自主知识的元器件及设计，均有很好的推动作用，因而具有十分重大的理论价值和应用价值。

在三年研究内，本小组首先在基于表面等离子体激元的齿状滤波器研究基础上，完成了对新型纳米级封装表面等离子体窄带滤波器、截止型高通滤波器、多信道窄线宽的波分解复用器和基于局域场表面等离子体共振的偏振分束器的设计和模拟工作，增强了基于表面等离子体激元光波导无源器件的功能化和集成化。此后，本小组在电光开关和全光开关的研究上取得了较大进展，完成了单路通断式电光开关和多路波长可切换电光开关等多种结构的模拟仿真工作，并拓展出表面等离子激元在纳米折射率传感器、慢光延迟线和纳米激光器方面的新应用。同时对提出的表面等离子体波导和器件结构进行了工艺对器件性能影响，制作容差等分析工作，优化了波导器件的结构设计，获得了低损耗串扰的设计方案。在最后一年研究中，本小组针对近年来国际上所有表面等离子体波导及其器件存在的亚波长模场束缚能力和仅数十微米有效器件长度的高本征传输损耗之间严重制约其应用的困境，及时提出和开展了新型金属-光子晶体混合波导的基础性研究，获得了能同时满足大规模光子集成四个基本要求的新型波导。通过这种全新的途径突破了表面等离子体波导研究中的困境，并基于这种新型波导完成了窄线宽可调谐的滤波器和多信道波分解复用器的模拟和设计工作。以上研究有效推动了具有大规模光子集成密度的信号处理器、光开关和慢光等众多单片集成的功能器件的研究。