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基于表面等离子的超小型集成波导型波片

2015-12-24

  无论是光通信、生物传感,还是量子信息,偏振控制几乎对所有光学系统都至关重要。传统空间光学利用大块的晶体波片来实现偏振态的转换。近年来,随着光学系统集成化、小型化的发展,对于集成的波导型波片的需求变得尤为迫切。然而,这一需求用普通的介质波导很难实现,往往需要额外的复杂三维结构来打破原有的波导对称性以实现光轴的旋转;而要实现任意光轴、进而得到多种偏振态间的转变则是难上加难。

  针对这一课题,北京大学周治平教授研究组与斯坦福大学James S. Harris教授研究组合作提出、并实验验证了一种超小型基于表面等离子的片上波导型波片。该器件长度仅为2.5μm,比传统介质波导器件(毫米量级)缩小了上千倍,且能简单地通过控制金属的长度或宽度实现任意偏振态的转换。以TE到TM的旋转为例,实测转换效率高达99.2%。 该研究成果发表在Scientific Reports [5, 15794 (2015)]上。

  周治平教授课题组长期致力于超小型集成表面等离子器件的研究,该工作在大量理论研究基础之上,巧妙利用表面等离子体天然的偏振敏感性及超强的光限制能力,提出并制作了非对称的混合表面等离子波导结构。与先前的大部分集成偏振旋转器只能实现TE、TM之间的旋转不同,该器件通过金属宽度、长度两个维度控制偏振波片的有效光轴和光模式的相位差,进而可以根据需求产生覆盖整个邦伽球的各种偏振态。与此同时,该器件与介质波导具有高度的工艺、模式兼容性,可以应用于任意需要偏振旋转的波导型集成系统,为加速光电子集成芯片的发展提供了有效路径。