混合光子—表面等離子激元分子光學(xué)特性研究.pdf

1、與電子學(xué)器件相比，光子學(xué)器件具有高速、高帶寬和低能耗等優(yōu)點，在許多光學(xué)應(yīng)用中扮演著非常重要的角色，例如低閾值半導(dǎo)體激光器、光開光、光信息處理和生物傳感等。但是，在實際應(yīng)用中，光子學(xué)器件由于受到衍射極限的限制，其尺寸大都在百納米以上，與電子器件的尺度相差太大，極大的阻礙了光電子器件集成的發(fā)展。因此迫切的需要尋求發(fā)展具有能夠突破衍射極限的新機理和新技術(shù)來實現(xiàn)更高密度高性能的光電子集成。表面等離子激元的出現(xiàn)很好的解決了這一問題，它存在于金屬與

2、介質(zhì)之間，能夠有效地增強電磁場的空間局域性和近場強度，從而可以突破光的衍射極限。近年來，研究者們發(fā)現(xiàn)基于表面等離子激元與介質(zhì)微腔的雜化而形成的單個微腔結(jié)構(gòu)不僅具有較高的品質(zhì)因數(shù)和較小的模場體積，而且還能夠有效地降低器件尺寸，實現(xiàn)亞波長尺度的光限制，在光學(xué)器件領(lǐng)域展示出了極大的應(yīng)用前景。而對于由兩個或者多個混合表面等離子激元的光學(xué)微腔組成的集群結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)，各個研究組并沒有開展更為深入細致的研究工作。
　　在整篇論文中，我們主要致

3、力于對混合光子-表面等離子激元光學(xué)微腔的耦合特性研究。大致做了以下兩個方面工作:
　　第一部分設(shè)計了一個基于硅/金屬材料的三明治形混合光子-表面等離子激元分子結(jié)構(gòu)的光學(xué)微盤，研究了該結(jié)構(gòu)中支持的混合回音壁光學(xué)模式特性，通過時域有限差法算法計算得到了混合微盤之間的耦合強度、分子結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因數(shù)Q、模場體積Veff與兩個微盤耦合間距d的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)并驗證了回音壁模式的劈裂現(xiàn)象。
　　第二部分研究了超小光子-表面等離子激元分子結(jié)構(gòu)中各

4、個混合回音壁模式不同的遠場輻射特性，首先介紹了電磁場中近場到遠場轉(zhuǎn)換的基本原理。發(fā)現(xiàn)了混合光子-表面等離子激元分子結(jié)構(gòu)在H平面通過改變角模式數(shù)的方法可以獲得顯著的方向性增強。
　　總之，相比于光子分子結(jié)構(gòu)，我們設(shè)計研究的混合超小光子-表面等離子激元分子結(jié)構(gòu)不但具有與光子分子結(jié)構(gòu)類似的方向性輻射增強優(yōu)點，而且還可以突破衍射局限，進一步降低光子器件尺寸到亞波長維度，同時可以獲得較高的品質(zhì)因數(shù)和較小的模場體積從而進一步降低回音壁模式激光