超緊湊非對稱金屬結構表面等離激元全光調控

“飛秒光物理和介觀光學”創新研究群體龔旗煌教授和李智副教授等人在一個超緊湊的非對稱金屬結構中實現了高效率的表面等離激元(SPPs)全光調控。研究論文于2011年6月13日發表在國際頂級刊物Nano Letters網絡版上(http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl201401w)。博士生陳建軍為論文的第一作者發揮了重要作用。

SPPs具有很強的場束縛和增強效應，在超緊湊的光子回路研究中引起了人們很大的興趣和關注。由于光與物質的非線性作用比較弱，而且SPPs的傳播距離短，難以實現長的非線性作用距離，因此實現高開光比的SPPs全光調制是一個很大的挑戰。表面等離激元全光器件的結構設計從而顯得非常重要，優化設計對于提高器件的性能非常關鍵。

研究工作采用光緻雙折射聚合物材料覆蓋的非對稱單縫，在實驗上成功實現了對表面等離激元激發效率的高效全光控制，如下圖所示。由于非對稱單縫結構中的FP腔效應，光與物質的非線性作用變強，FP腔内表面等離激元每一個來回帶來的相位延遲與兩倍腔長相關，這極大地提高了表面等離激元對聚合物折射率變化的靈敏度。另外，在非對稱單縫結構中，表面等離激元的激發和調制過程被集成在一起，從而器件非常緊湊。最後，實驗通過用泵浦光改變聚合物材料折射率的實部，并結合了幹涉配置來實現表面等離激元的調制，易于得到高開關比的全光調制。以上這些因素和設計使實驗上同時獲得了很大的全光調制深度(開關比> 20 dB，相位調制> π)和超緊湊的器件尺寸(橫向尺寸隻有約2 μm)。這是目前在這麼小的尺寸下實現的最大的開關比。

研究工作得到國家973項目、國家自然科學基金委“創新研究群體”項目和介觀物理國家重點實驗室自主課題等的資助。