超紧凑非对称金属结构表面等离激元全光调控

“飞秒光物理和介观光学”创新研究群体龚旗煌教授和李智副教授等人在一个超紧凑的非对称金属结构中实现了高效率的表面等离激元(SPPs)全光调控。研究论文于2011年6月13日发表在国际顶级刊物Nano Letters网络版上(http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl201401w)。博士生陈建军为论文的第一作者发挥了重要作用。

SPPs具有很强的场束缚和增强效应，在超紧凑的光子回路研究中引起了人们很大的兴趣和关注。由于光与物质的非线性作用比较弱，而且SPPs的传播距离短，难以实现长的非线性作用距离，因此实现高开光比的SPPs全光调制是一个很大的挑战。表面等离激元全光器件的结构设计从而显得非常重要，优化设计对于提高器件的性能非常关键。

研究工作采用光致双折射聚合物材料覆盖的非对称单缝，在实验上成功实现了对表面等离激元激发效率的高效全光控制，如下图所示。由于非对称单缝结构中的FP腔效应，光与物质的非线性作用变强，FP腔内表面等离激元每一个来回带来的相位延迟与两倍腔长相关，这极大地提高了表面等离激元对聚合物折射率变化的灵敏度。另外，在非对称单缝结构中，表面等离激元的激发和调制过程被集成在一起，从而器件非常紧凑。最后，实验通过用泵浦光改变聚合物材料折射率的实部，并结合了干涉配置来实现表面等离激元的调制，易于得到高开关比的全光调制。以上这些因素和设计使实验上同时获得了很大的全光调制深度(开关比> 20 dB，相位调制> π)和超紧凑的器件尺寸(横向尺寸只有约2 μm)。这是目前在这么小的尺寸下实现的最大的开关比。

研究工作得到国家973项目、国家自然科学基金委“创新研究群体”项目和介观物理国家重点实验室自主课题等的资助。