混合型微纳光子回路的设计、制作和应用

项目名称： 混合型微纳光子回路的设计、制作和应用

项目编号： No.11204366

项目类型： 青年科学基金项目

立项/批准年度： 2013

项目学科： 物理学I

项目作者： 丁伟

作者单位： 中国科学院物理研究所

项目金额： 30万元

中文摘要： 表面等离子激元波可以打破光学衍射极限。基于此原理的光学纳米天线具备将光输运到纳米尺度空间中的能力。最新的研究表明，特殊设计的纳米天线还可以定向辐射光波。然而，基于表面等离子激元波的光学链路却承受着巨大的传输损耗，无法将多个器件连接起来。为此，我们提出将低损耗介质波导与光学纳米天线结合的混合型光子回路。接收端光学纳米天线生成的光信号经过一段介质波导传送到远端阻抗匹配的另一个光学纳米天线中，然后定向辐射出去。我们利用这束定向辐射光进行生物光学检测，待测样品置于一个微流回路芯片中。高精度小剂量的快速光学检测在医疗诊断和手术治疗中有着重要的应用。通过研究这样一个集成在同一个片子上的混合型微纳光子回路，我们试图展示光子芯片多功能分层设计的概念，为未来大规模多功能光子集成芯片提供新思路。我们的方案涵盖了设计、制作和光学表征。我们将为此开发一套新颖的具有精确分析功能的多角度辐射显微装置。

中文关键词： 表面等离激元纳米天线；集成光子学；微纳加工；近场光学显微镜；泄漏式远场辐射显微镜

英文摘要： Exploiting the sub-diffraction-limit nature of surface plasmon-polariton waves, optical nano-antennas are able to interface light waves to nanoscale elements. A newly reported work indicated that a specially designed nano-antenna can even direct light emission into a uni-direction, like what a RF antenna does to an electric circuit. However, plasmonic waveguides suffer extremely large attenuation loss, and are not suited for large-scale optical interconnects. We propose a hybrid plasmonic-photonic circuit consisting of optical nano-antennas and a low-loss dielectric waveguide. The optical signal from an optical nano-antenna is delivered to the far end of the circuit via the dielectric waveguide, where another impedance-matched nano-antenna converts the optical signal into a unidirectional radiation. We apply this beam for bio-chemical sensing by introducing a microfluidic network to the same optical chip. Using technologies relevant to opto-fluidics, we can implement fast bio-sensing with high sensitivity and tiny reactant dose. Such capabilities have wide applications in medical diagnosis and therapy. In this project, a lot of details will be investigated ranging from design to fabrication to optical characterization. We will also develop a novel radiation microscope with variable tilt angles for characterizing

英文关键词： Plasmonic optical nano-antenna；Integrated photonics；Micro/nano-fabrication；Near-field scanning optical microscopy；Leakage radiation microscopy