表面等离激元光子器件设计及全光调制(-2010年COMSOL用户年会用户发言)

表面等离激元光子器件设计及全光调制报告人：陈建军指导老师：李智龚旗煌2010年10月28日北京大学物理学院2010年COMSOL中国区用户年会主要内容¾背景介绍¾表面等离激元光子器件的设计¾表面等离激元全光调制¾小结表面等离激元（surfaceplasmonpolaritons，SPPs）是光场和金属表面自由电子相互作用形成的一种光波模式，该模式的场强离开金属表面指数衰减。背景介绍传输特性)()()(ωεωεωεIRi+=1/211()[]()RIspspspkkikcεεωωεεω==++当时Propagationlength:3131I)())(()(21εωεωεεωωεRRIspckL+∝=Modespotsize：IzIzekkW21/111+=)())(())((111/1ωωεωεεωεωεεRRReccW−+−++−≈在介质中的尺度为~100nm，在金属中尺度为~10nm，传播长度L为~100um。SPPs特点：可以将电磁场能量束缚在很小的空间范围，突破衍射极限。而在纳米光子学领域显示出巨大的应用潜力，如纳米集成光子器件，纳米光学成像和纳米光刻。SubwavelengthwaveguidePlasmonlaserNature440,508(2006)Nature461,629(2009)主要内容¾背景介绍¾表面等离激元光子器件的设计¾表面等离激元全光调制¾小结常见的表面等离激元波导:1.Long-rangesurfaceplasmon-polariton（LRSPP）2.Dielectric-loadedsurfaceplasmon-plariton(DLSPP)3.Channelsurfaceplasmon-polariton(CPP)表面等离激元波导及光子器件设计LRSPP2121.444131.9512.65εε==−+，J.Appl.Phys.102,053105(2007)Modesize~10um,L~10mm,ropt=20mmAppl.Phys.Lett.94,051111(2009)DLSPP20Q=/77FWHMFWHMnmλλλΔ=Δ=，w=500nmh=600nmmodewidth=915nmL=48umneff=1.27ropt=5umCPPNature440,508,(2006)R=5um,d=1.25μm,θ=25°~40Q=/37FWHMFWHMnmλλλΔΔ=，d=1000nm,w=600nm,modewidth=1100nmL~100um•LRSPP：传输距离长（~mm），光斑大（~10um），弯曲损耗大（r~mm）•DLSPP：束缚好，光斑小（~1um），弯曲损耗小（r~5um），传输距离短（~40um）•CPP：束缚好，光斑小（~1.1um），弯曲损耗小（r~5um），传输距离短（~100um）亚波长束缚+长传输距离???(1)二维非对称结构LRSPP及环形谐振腔SchematicofthefinitewidthsymmetricalDMDwaveguidewithoutsubstrates(a),distributionoftheelectromagneticfield(Ey,w=600nm,h=800nm)(b)andlightwavepropagatingalongthez-axis.Chenetal.Opt.Express17,23603(2009)HybridLRSPP色散曲线和光斑大小工作点：w=600nm,h=800nm→Wx=726nm,Wy=670nm，L=300μm,neff=1.63HybridLRSPPandfirstwaguidemodehdown=594nmhdown=310nm→Wx=726nm,Wy=647nm，L=321μm,neff=1.63QSPP~1400,atr=5umWRRsofhighperformancebasedontheasymmetricalDMDwaveguide大尺度，传播损耗小尺度，弯曲损耗PerformancesofHybridLRSPP1、Subwavelengthfieldconfinement:75%ofDLSPP2、Longpropagationlength:321um,11timesofDLSPP3、Waveguide-ringresonators:HighQ,10ofDLSPPandCPP4、r≥7um时，QdieQspp,r7um时,QdieQspp大结构纳米结构(2)SPP的单向发射Nat.Phys.3,324(2007)NanoLett.9,327(2009)Appl.Phys.Lett.94,011114(2009)引入非对称系统单个非对称纳米狭缝实现SPP的单向发射SPP激发效率随腔长变化典型腔长下能流分布Chenetal.Appl.Phys.Lett.97,041113(2010)ϕ+=ΦFPsppLk2样品SEM图和CCD采集到的两边光栅处的SPP散射强度左右两边SPP强度比值随波长变化非对称狭缝横向尺度370nm，左右两边SPP消光比约30，效率是对称单缝的1.8倍实验验证Appl.Phys.Lett.90,161130(2007)Opt.Express16,19091(2008)(3)SPP分束：不同波长SPP向不同方向传播)exp()/()exp()(00CWSPP0SPPxikxHxikHxHm−+=λββsubmitted加介质薄膜利用准柱面波对总场的调制实现SPPsplitterSPP激发效率随腔长变化单缝附近能流分布图SPPs项准柱面波项nmkkkP1620)151.1/()/(0SPP0=−=−=λλChenetal.Appl.Phys.Lett.(submitted)SPP激发效率随波长变化典型波长下能流分布几何参数：腔长800nm，深100nm，狭缝宽200nm，聚合物膜厚150nm不同波长SPP的分束实验验证样品SEM图和实验采集的CCD图两边SPP强度比值随波长变化非对称狭缝横向尺度800nm，波长740nm和830nm分束，消光比分别为30和12。1、利用CWs对总场的调制实现了一种超紧凑的SPPsplitter.2、CWs对总场的调制为SPP器件的设计提供了更多的机会和可能性.主要内容¾背景介绍¾表面等离激元光子器件的设计¾表面等离激元全光调制¾小结Appl.Phys.Lett.85,3369(2004)Adv.Mater.20,4455(2008)NaturePhotonics,3,55(2009)Adv.Mater.,18,1645(2006)表面等离激元全光调制5%10%10%~30%)/(~mdmdsppkεεεε+(4)利用光致双折射材料实现SPP调制几何参数：腔长2060nm，深80nm，狭缝宽100nm，聚合物膜厚200nm光栅处的SPP散射强度分布λ=770nm激发效率随波长变化激发效率泵浦光强变化λ=770nmChenetal.(tobesubmitted)目前尺寸最小，调制度最大1、利用FP腔效应，作用距离为两倍腔长，比同尺寸下的其他结构具有更高的灵敏度。另外，激发和调制集成到一起。2、器件横向尺寸2um，调制度~60%;相位调制1.4π。(5)SPP聚焦（三维模型）圆环SEM图模拟结果近场形貌图电场水平分量实验结果主要内容¾背景介绍¾表面等离激元光子器件的设计¾表面等离激元全光调制¾小结小结•非对称结构LRSPP同时具有亚波长束缚和长的传播距离，比基于其他波导的环形谐振腔具有更好的性能•利用370nm宽的非对称纳米单缝在830nm波长处实现了高效率的SPP的单向发射•利用CWs对总场的调制，基于对称纳米狭缝实现了不同波长SPP的分束•基于非对称单缝，利用偶氮实现了对SPP激发的全光控制，目前尺寸最小，调制度最大请批评指正，谢谢！请批评指正，谢谢！