基于等离激元的纳米光子器件和光子回路

银纳米线波导及其网络中等离激元传播的调控。

随着半导体纳米电子器件的发展逼近其物理极限,如何实现信息处理速度的突破成为大家广泛关注的课题。光子作为信息载体具有突出的优点,例如其传播速度极快;不同的频率可对应不同的信息,使得光信号的容量比电信号大得多。但由于衍射极限的限制,光子器件的尺寸通常较大。金属纳米结构的表面等离激元具有亚波长光场束缚的能力,可以用于实现纳米尺度上的光操控, 例如在一维金属纳米波导结构中,表面等离激元沿着纳米波导传播时可以将光场限制在远小于光波长的横截面内,这一特性非常有利于光信息器件的高密度片上集成。因此基于金属纳米结构表面等离激元的微纳尺度集成光子器件和光子回路的研究成为等离激元光子学的一个研究热点。近年来,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)徐红星研究员及其团队围绕基于等离激元的集成纳米光子芯片的原理开展了一系列原创性的研究工作,主要研究成果包括:

1. 系统地研究了金属纳米线中等离激元的特性,包括:发现传播的等离激元具有定向发射特性(Nano Lett. 9, 4383 (2009));发现有些纳米线波导具有保偏特性,这种特性与不同等离激元模式的激发和传播有关,非常依赖于纳米线的端面形貌(Nano Lett. 10, 1831 (2010));发现传播的等离激元和半导体量子点的激子可以相互激发和转化(Nano Lett. 9, 4168 (2009));利用传播的等离激元实现了远程激发的表面增强拉曼散射(Nano Lett. 9, 2049 (2009));发现了等离激元的手性传播(Phys. Rev. Lett., 107, 096801 (2011));研究了基底和弯曲对等离激元传播损耗的影响,并提出了一种通过在低折射率基底上增加高折射率薄层来减小传播损耗的方法(Phys. Rev. B 82, 241402(R) (2010); Nano Lett. 11, 1603 (2011); ACS Nano 6, 8128 (2012));研究了探针激发的纳米线等离激元的特性(Small 8, 2641 (2012));研究了分叉银纳米线结构中各出射端的光强对激发光偏振的依赖(Chin. Phys. Lett. 29, 077302 (2012));研究了分叉银纳米线结构中两束等离激元的干涉特性(Small 7, 593 (2011); Nanoscale 4, 7149 (2012))。

2. 实现了纳米尺度的光路由器(Router)和光信号分离器(Demultiplexer)。在银纳米线波导的分叉结构中,通过改变入射光的偏振方向可以控制等离激元传向不同的波导分支,从而实现纳米尺度的光子路由;而且在相同的波导分叉结构中能够控制不同波长的光分开传向不同的波导分支,从而实现纳米光子回路中光信号的分离(Nano Lett. 10, 1950 (2010))。基于等离激元的纳米光子器件功能的优化和扩展有赖于对等离激元近场和传播的精细调控,最近,他们发现金属纳米线等离激元的近场分布强烈依赖于纳米线周围的介电环境。利用该特性,在银纳米线波导网络中通过改变氧化铝介质层的厚度,实现了对不同输出端光信号的调控(PNAS 110, 4494 (2013))。该研究对于实现等离激元纳米波导网络中光信号的精细调控和相关器件功能具有重要意义,也可用于发展高灵敏度的传感器。

3. 首次通过金属纳米波导构建了完备的纳米全光逻辑器件,用光实现了电子学上的基本逻辑运算(与、或、非),另外,发现四终端的网络结构可以作为半加器实现两个二进制数的加法运算。利用量子点发光对银纳米线中传播的等离激元的近场分布进行了成像,揭示了这些基于等离激元的全光逻辑器件的工作原理(Nano Lett. 11, 471 (2011))。首次演示了等离激元逻辑的可扩展性,在金属纳米线网络中利用等离激元的干涉效应,通过或门(OR)和非门(NOT)的级联实现了或非(NOR)运算。利用量子点成像手段,揭示了该器件的工作机制,即控制端网络结点处的等离激元电场分布必须处于极大值,从而可以跟或运算(OR)的信号实现很好的干涉,将或运算(OR)的结果反转,实现或非(NOR)的运算(Nature Communications 2, 387 (2011))。并且,从理论上研究了利用金属薄膜中的槽形波导及其级联结构实现各种逻辑运算功能(Optics Express 21, 9556 (2013))。该研究为未来片上集成光信息处理技术提供了新的可能性。

4. 在室温下实现了对等离激元传播损耗的补偿。由于表面等离激元信号的阻尼损耗很大,如何对表面等离激元信号进行放大成为集成等离激元器件研制中不可回避的问题。在同一器件中实现对不同波长和偏振的等离激元信号的同时放大是确保信号保真的重要条件。最近,他们利用基于皮秒脉冲激光的泵浦-探测光学技术研究了CdSe纳米线(半导体)-Al2O3(绝缘体)-Ag薄膜(金属) 体系中等离激元的传播,实现了半导体增益材料对纳米线和银薄膜之间传播的表面等离激元信号的放大。实验结果显示不同偏振的等离激元信号可在同一器件中进行放大,等离激元在传播中的损耗可以被完全补偿。在低泵浦光强度的情况下,等离激元信号的放大倍数比同尺寸同泵浦光强度的相同材料的半导体波导光信号的放大倍数高出一到两个数量级(Scientific Reports 3, 1967 (2013))。该研究结果使得低泵浦光强、高增益的等离激元放大器的实现成为可能。

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