基于微腔和耦合腔效应的超紧凑、超快响应表面等离激元全光调制器

Surface plasmon polaritons (SPPs) have attracted great research interests in the area of ultracompact photonic circuits, because of their strong field confinement and enhancement. All-optical modulator on SPPs is an essential component for realizing SPP-based optical communication and computing networks. However, because of the weak nonlinear light-matter interactions, the challenge of realizing SPP modulations with high modulating depths is enormous, especially with ultrafast response times and in ultratracompact structures. In the previous works, we have found that ultracompact plasmonic structures based on cavity effects especially coupled-cavity effects are very sensitive to the refractive index changes of optical nonlinear materials. So this project will combine these ultra-sensitive plasmonic structures with Polystyrene and Polystyren with proper dopings which are high-performance nonlinear optical materials having both ultrafast response times and large optical nonlinear coefficients. Thus, highly efficient and ultrafast all-optical SPP modulation can be realized in ultracompact structures. These SPP modulators may have wide applications in the next-generation SPP-based photonic circuits.

金属表面等离激元（SPP）近年来受到广泛关注，被认为是下一代信息技术的可能候选之一。在各种有源SPP器件当中，表面等离激元的全光调制器是关键之一，它是构成基于表面等离激元的集成全光回路不可缺少的重要部分。然而，由于受到光学材料较弱的光学非线性效应和表面等离激元结构有限的灵敏度的限制，已有工作中普遍存在的问题是器件结构尺度大、难以高度集成，并且很难同时获得超快的响应速度和较低的泵浦功率。 申请人在前期工作中发现，基于微腔效应特别是耦合腔效应的超紧凑表面等离激元结构对光学非线性材料的折射率改变具有很高的灵敏度。因此，本项目计划将这些高灵敏表面等离激元结构与具有超快响应和大光学非线性系数的聚合物PS(Polystyrene)及其掺杂体系相结合，从而在实验上实现具有超快响应速度的超紧凑SPP全光调制器。这种高性能的表面等离激元全光调制器有可能在下一代基于SPP的超高集成度全光回路中获得应用。

金属表面等离激元（SPP）被认为是下一代信息技术的可能候选之一。要实现各类SPP应用，高效的SPP激发器是基础，SPP的全光调制器则是关键之一，以上两种器件是构成基于SPP的集成全光回路不可缺少的重要部分。.本项目首先研究作为基础的SPP高效激发器。我们提出利用非对称纳米沟槽结构中不同对称性的光学模式之间的干涉可以实现SPP的方向可控激发。实验上不仅获得了带宽超过200纳米的SPP宽带单向激发，还实现了不同波长下激发方向的反转，同时器件横向尺寸小于波长，有效实现了亚波长尺度上的表面等离激元激发操控。这种利用模式转换实现高阶模式的高效激发和散射光场的有效操控的新方法为纳米尺度下的光操控提供了全新思路，对纳米光子学领域有广泛的借鉴意义。研究论文发表在国际顶级期刊Nano Letters上，相关研究工作还申请了三项国家发明专利和一项实用新型专利。为进一步提高整个器件的绝对效率，我们将上述亚波长SPP单向激发单元进行级联和参数优化，在1.1微米的器件横向尺寸下测得了高于46%的绝对激发效率和高达40的消光比，是当时国际上报道的在这么小的尺寸下测得的最大SPP绝对激发效率，研究论文发表在国际知名期刊Nanoscale上。.以上述工作为基础，我们在片上集成的亚波长SPP波导系统中实现了超紧凑、超快响应的表面等离激元全光调制器。通过将主波导中的驻波光场耦合到亚波长分支波导中，我们同时对多个输出通道中的信号光强实现了全光调制，开关比大于31:1。更为重要的是，不同输出通道间光场的相位差表现出有趣的二元相位特性，同时提供了相位差的鲁棒性和可切换性，极大方便了进一步的应用。作为一个展示，两个输出通道的信号被用来驱动一个二元纳米天线，成功实现了对纳米天线发射方向的动态控制。实验还测得上述全光调制机制具有飞秒级的超快响应速度。这种同时具有强度和相位可控特性的纳米尺度上的片上集成的多通道全光调制方法是集成纳米光子回路的全光控制领域的重要进展。相关研究工作发表在ACS Photonics上，并申请了两项国家发明专利。