随着半导体纳米电子器件的发展逼近其物理极限，如何实现信息处理速度的突破成为大家广泛关注的课题。光子作为信息载体具有突出的优点，例如其传播速度极快；不同的频率可对应不同的信息，使得光信号的容量比电信号大得多。但由于衍射极限的限制，光子器件的尺寸通常较大。金属纳米结构具有很强的光束缚能力，为纳米尺度的光操控提供了可能。因此基于金属纳米结构表面等离激元的微纳尺度集成光子器件成为目前等离激元光子学的一个研究热点。近年来，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）徐红星研究组围绕基于等离激元的集成纳米光学芯片的原理开展了一系列原创性的研究工作，首次实现了基于金属纳米线等离激元的完备的全光逻辑器件，并证实了这种逻辑器件的可级联性，为未来片上光信息处理技术提供了新的可能性（Nano Lett. 11, 471 (2011); Nature Communications 2, 387 (2011)）。通过改变纳米线结构的介质覆盖层，他们实现了对纳米线等离激元的调控，这对于实现等离激元纳米波导网络中光信号的精细调控和相关器件功能具有重要意义（PNAS 110, 4494 (2013)）。
　  然而，要实现基于等离激元的集成光学，首先需要确保信号在传播中的保真。由于表面等离激元信号的阻尼损耗很大，如何对表面等离激元信号进行放大已成为集成等离激元器件研制中不可回避的问题。在同一器件中实现对不同波长和偏振的等离激元信号的同时放大是确保信号保真的重要条件。最近，纳米物理与器件实验室徐红星研究组的国际青年学者刘宁博士等对此开展了深入的研究。他们设计并搭建了具有时间分辨的基于皮秒脉冲激光的泵浦-探测光学显微镜系统，并使用此系统研究了CdSe纳米线(半导体)-Al₂O₃(绝缘体)-Ag薄膜(金属) 体系，实现了半导体增益材料对CdSe纳米线和银薄膜之间的间隙中传播的表面等离激元信号的放大。实验结果显示不同偏振的表面等离激元信号可在同一器件中进行放大，表面等离激元在传播中的损耗可以被完全补偿。他们的研究还发现，在低泵浦光的情况下，等离激元信号的放大倍数比同尺寸同泵浦光强度的相同材料的半导体波导光信号的放大倍数高出一到两个数量级，此现象归因于热电子在半导体-绝缘体-金属界面的转移。该研究结果使得低泵浦光强、高增益的等离激元放大器的实现成为可能。相关结果发表在近期的Scientific Reports 3, 1967 (2013)。
　  上述工作得到了科技部、国家自然科学基金委和中科院知识创新工程的大力支持。

图1. CdSe纳米线-Al2O3-Ag薄膜体系中等离激元信号的放大。

图2. CdSe纳米线-Al2O3-Ag薄膜体系(a, b, d, e)和CdSe纳米线体系(c, f)中计算的电场强度分布。