激子表面等離激元耦合效應實現光子信號操縱

　　光子學器件具有電子學器件無法比擬的高速、高帶寬和低能耗等優點，在光信息處理和光子學計算中扮演著非常重要的角色。中科院化學研究所光化學院重點實驗室的科研人員近年來一直致力于低維有機光子學方面的研究(Acc. Chem. Res.,2010,43,409-418，Adv. Funct. Mater., 2012, 22, 1330-1332)，圍繞光子學集成器件中所需要的微納光源(J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 7276-7279，)、光波導(Adv. Mater.,2011,23, 1380-1384)、光子路由器(J. Am. Chem. Soc.,2012, 134,2880-2883)、光電檢測(Adv. Mater.,2012,24, 2332-2336)等開展了一系列的探索工作。相關工作證實了低維有機材料在納米光子學領域的巨大潛力，為進一步獲得復雜功能的光子學元件奠定了基礎。

　　受到光學衍射極限的限制，光子學器件尺寸都在百納米以上，與電子器件回路尺度(約50nm)的差距過于懸殊，難以實現二者在同一回路中的集成。因此，尋求合適的方法發展小于光衍射極限的光學器件，在納米尺度來進行光信息處理勢在必行。最近幾年，一維金屬納米結構作為光波導材料受到了國內外的廣泛關注。金屬納米線的寬度為幾十到幾百納米，卻可實現光在衍射極限以下的傳播，其原因就是光在金屬納米結構中以表面等離極化激元(Surface Plasmon Polariton, SPP)的形式傳播。SPP是一種存在于金屬表面的特殊電磁場形式，在其偏振狀態、模式體積、色散特性等方面具有一系列獨特的物理性質，有望實現用于信息處理的表面等離激元集成器件。然而金屬的固有傳輸損耗很大，僅僅通過SPP波導很難在集成光子回路(約1mm)中進行數字信號傳輸，因此需要開發一種簡便、有效、通用的策略把SPP模塊集成到低損耗的介質光互連系統中實現數字信息的發送和接收。

　　最近，在國家自然科學基金委、科技部、中國科學院的支持下，化學所光化學院重點實驗室科研人員在前期工作的基礎上，利用定點外延生長的方法制備出有機/金屬納米線異質結，通過有機單晶納米線中的激子極化激元(EPs)與銀納米線中的SPP的強耦合作用有效地提高了SPP的激發效率。銀納米線中的信號強度與入射光偏振方向有很強的依賴關系，通過改變入射光的偏振方向調控信號強度，實現了亞波長尺度下的納米光子學邏輯運算元件。相關工作發表于《先進材料》(Adv. Mater.,2012,24, 5681–5686)，并被選作當期封面文章(圖1)。

　　進一步，為了把邏輯處理結果輸送到正確的端口，他們又發展了能夠定向傳輸信號的方向耦合器。在有機分子液相自組裝的過程中，引入金屬銀納米線，成功將多根金屬納米線包埋在單晶的有機微米線中，可控制備了樹枝狀的有機/金屬納米線異質結，基于光子與SPPs耦合效率動量匹配的角度依賴關系，在亞波長尺度下對多光子信號進行操縱，實現了定點輸入、定點輸出的定向耦合器，為構建納米光子學多輸入、多輸出的復用元件提供了新思路和新方法。相關結果發表于近期的《先進材料》上(Adv. Mater.,2013, 25, 2784-2788)，并被作為當期的背封面文章(圖2)。

圖1 封面文章：有機/金屬納米線異質結中EPs與SPPs的相互耦合

圖2 背封面文章：有機/金屬納米線異質結中EPs與SPPs的相互耦合及其在多光子信號操縱方面的應用