论文标题：Silicon-Based Optoelectronics Enhanced by Hybrid Plasmon Polaritons: Bridging Dielectric Photonics and Nanoplasmonics（混合表面等离激元增强硅基光电子）

期刊：Sustainable Chemistry

作者：Pengfei Sun, Pengfei Xu, Kejian Zhu and Zhiping Zhou

发表时间：28 October 2021

DOI：10.3390/photonics8110482

微信链接：

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期刊链接：

https://www.mdpi.com/journal/photonics

原文作者简介

通讯作者：周治平 教授 北京大学

周治平，北京大学信息科学技术学院教授、博士生导师、美国光学学会会士、中美联合刊物Photonics Research创刊主编。长期致力于硅基光电子学、纳米科学与技术、半导体器件物理、半导体器件工艺、半导体传感器、半导体激光、集成传感器、超快速光通信、集成光电子学、微纳光电子器件及其集成技术等方面的研究，已发表400余篇期刊和会议论文。

第一作者：孙鹏斐 博士在读 北京大学信息科学技术学院

孙鹏斐，北京大学信息科学技术学院在读博士研究生，研究方向为硅基光电子学。

引言

硅基光电子学是探讨微米/纳米级光子、电子及光电子器件的新颖工作原理，并使用与硅基集成电路技术兼容的技术和方法，将它们集成在同一硅衬底上的一门科学。图1展示了硅基光电子的发展趋势及近年来的代表性工作。

图1. 硅基光电子的发展趋势及代表性工作。

表面等离激元是在具有自由电子的金属和介质的界面上传播的表面波，由于具有亚波长特性和突破衍射极限的能力，可以显著提高光场局域性而减小光子器件的尺寸。图2展示了介质器件和表面等离激元器件的尺寸和光场局域性方面的区别，体现了表面等离激元相较于介质器件的优势。

图2. 介质器件和表面等离激元器件的尺寸 (a) 和光场局域性 (b) 比较。

然而表面等离激元器件也存在诸多缺陷，其中在应用上最大的限制便是金属带来的难以避免的损耗。最近来自北京大学的周治平教授及其团队在Photonics期刊介绍了利用混合表面等离激元硅基光电子使得硅基光电子器件和表面等离激元器件形成优势互补的方法。

研究过程与结果

图3展示了硅基混合表面等离激元波导的典型结构和设计原理。硅基混合表面等离激元波导中的模场可以看做硅波导模场和表面等离激元模场的混合，中间的低折射率层起到了类似光场“容器”的作用，将大部分光场能量“贮存”在其中。这种硅基混合表面等离激元波导在保持较强的光场局域性的同时尽可能减小了金属所带来的损耗，具有较好的应用价值和前景。

图3. 硅基混合表面等离激元的典型结构及模场分布 (a, b) 金属表面上方介质圆柱；(c, d) 金属和介质层中间具有低折射率插入层。

介质硅波导和表面等离激元波导之间的耦合方案可以分为端面耦合和定向耦合两种。端面耦合是利用锥形的渐变结构将硅波导中的光场逐渐聚焦耦合到表面等离激元波导中，这种设计方案的硅波导和表面等离激元波导在同一直线上易于直接应用。端面耦合的设计方案很多，表1总结了各类端面耦合方案的结构特点及性能参数。

表1. 硅基混合表面等离激元的端面耦合设计方案总结

介质硅波导和表面等离激元波导之间的定向耦合方案是利用倏逝波的光学隧道效应，实现将硅波导中的光场耦合到光场局域性更高的表面等离激元波导中。相较于端面耦合方案，定向耦合方案可以实现更低的耦合损耗。图4展示了定向耦合方案的代表性结构，其中图4(b)中的混合表面等离激元波导的定向耦合方案可以实现最低0.27dB的耦合损耗。

图4. 硅基混合表面等离激元的定向耦合设计方案代表性工作。

研究总结

本文介绍了利用端面耦合和定向耦合将介质硅波导和表面等离激元波导相互耦合连接的方法，这种混合表面等离激元增强硅基光电子可以使得硅基光电子器件和表面等离激元器件形成优势互补。在传输距离长光场局域性要求较低的情形下，采用介质硅波导器件以尽可能减少光能量损耗；而在光场局域性要求较高传输距离较短的情形下，采用混合表面等离激元器件以尽可能减小器件尺寸。本文介绍的内容对于克服表面等离激元损耗高的缺陷以及实现更高更大规模集成光电子回路都具有重要意义。

Photonics 期刊介绍

主编：Nelson Tansu, The University of Adelaide, Australia

主要刊载光学和光子学相关的基础理论和应用方面的学术文章。