(1)研究背景和创新性

（1）研究背景和创新性

表面等离激元（SPPs）是金属表面的自由电子与光子相互作用引起的自由电子的集体振荡[1]。由于表面等离激元的产生，金属纳米结构具有非常特殊的光电性质。得益于纳米技术的发展，对基于表面等离激元的纳米结构体系的研究已形成了国际上迅猛发展的热点研究领域之一。最近几年，该领域已逐渐形成了一个崭新的光学分支：等离激元学(Plasmonics)[3, 4]。等离激元学研究光、分子和金属纳米结构相互作用的复杂体系及所产生相关新现象，涉及物理学、化学、材料和纳米等学科。它的主要任务是在纳米尺度上对光的光强、偏振态、传播等性质进行有效调控。纳米尺度的光调控是一个具有挑战性的任务。它不仅具有重要的基础研究意义，在光学器件的小型化方面也有着重要的实用价值。

随着现代加工工艺的不断进步和电子器件集成化程度的提高，电子芯片的物理瓶颈如量子尺寸效应和热效应等对目前信息技术的发展将有着不可避免的制约。而光子作为信息的载体可以携带强度、偏振、相位和频率等信息,有着电子无法比拟的优势。可是由于光的衍射极限的存在，光学元器件和芯片却很难做到小型化和大规模的集成。而纳米表面等离激元为实现纳米光子器件带来了曙光[10, 11]。最近几年，人们发现一维金属纳米线可以作为非常优良的纳米光波导[11, 13]。金属纳米线的宽度为几十到几百个纳米，却可实现光在衍射极限以下的传播，传播距离可达几十个微米。与金属沟槽[5]、金属-介质-金属多层结构[6, 7]等其他表面等离激元波导相比，纳米线波导具有传播耗散小、结构简单易于集成等优势，可以用来构建复杂的纳米光子元器件。因此，对一维金属纳米线中传播的表面等离激元的研究受到了国际上广泛的关注。申请人较早的在纳米波导方面开展了一系列研究，先后实现了保偏纳米波导、纳米波导路由器、调制器以及布尔逻辑光回路等，激发了纳米波导器件相关的研究热潮。

目前纳米光波导器件面临的主要问题是如何实现纳米光子器件的可靠性制造和不同纳米光子元件的集成和整合。传统金属纳米线波导的采用化学合成的方式。该方法获得的纳米波导表面光滑、散射耗散很小，因此是理想的波导材料。然而，化学合成法可控性不高，波导的尺寸、宽度等参数无法精细控制，更难以进行器件集成。另一方面，现代微纳加工技术虽然可以很精确的制造出所需的纳米结构，但是结构表面是非单晶，往往达不到光传导要求的粗糙度，传播耗散严重。纳米光子器件制造瓶颈已经成为纳米光子学领域中亟待攻克的难题。为了解决纳米光子器件重复性与性能之间的矛盾，本课题创新性的将化学合成方法与微纳加工技术结合，探索纳米光波导、纳米光子元件的可控制造技术。首先通过化学合成方法获得高质量的大面积金单晶表面。该单晶面不同于蒸镀或电化学沉积获得的粗糙薄膜，通过进一步的电子束刻蚀或聚焦离子束刻蚀，可以形成表面光滑的纳米波导结构。该纳米结构的形貌、尺寸等参数可以得到很好的控制。基于申请人前期已有的纳米波导研究基础和经验，通过合理的设计光路结构，对其光学特性，如传播表面等离激元的偏振特性、分光特性进行测量，力图突破纳米光子元件重复制造与集成的瓶颈。

（2）研究目标

（1）探索纳米光子回路可控制造技术。化学合成方法与微纳加工技术结合，在大面积金单晶片上采用聚焦离子束刻蚀或电子束曝光等方法，实现具有光滑表面的纳米结构可控加工，制造形貌、长度、结构的纳米光波导回路。

（2）设计和制造具有调制、逻辑功能的复杂结构光子回路。在可控纳米回路制造的基础上，辅助FDTD、有限元等理论模拟，设计出多路串并联的纳米光子回路。通过高分辨微区显微系统，实现多路激发和多路收集的模式，对表面等离激元在光子回路中传播特性进行深入研究。获得具有特定功能，如逻辑功能的纳米光子回路体系和设计思路。

（3）实现偏振态可控的纳米光波导。利用聚焦离子束刻蚀技术，对已有纳米线波导的端面形貌进行精细控制，并基于显微镜系统搭建纳米线偏振特性测量平台，对不同形貌的纳米线波导中传播的表面等离子激元的激发模式、偏振态进行详细深入研究。理解纳米波导偏振特性与形貌、尺寸的关系，对纳米光学器件中纳米波导的构建进行指导设计，建立波导偏振特性的理论模型体系。在理论模型基础上，设计和加工符合所需偏振特性的纳米波导。