新型納米光子周期性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其光傳輸特性研究.pdf

1、光子學(xué)是當(dāng)今物理學(xué)領(lǐng)域發(fā)展十分迅速的一個(gè)領(lǐng)域。隨著納米科技的進(jìn)步,傳統(tǒng)的光子學(xué)研究領(lǐng)域已經(jīng)被拓展到光子晶體、表面等離子激元學(xué)等新的研究方向。作為集成光路中最為基本的組成元件,光子晶體和表面等離子激元納米周期性材料與結(jié)構(gòu)正吸引著越來(lái)越多的科研工作者的興趣,同時(shí)致使一個(gè)重要學(xué)科分支—納米光子學(xué)的產(chǎn)生。正是在這樣的背景下,我們開(kāi)展了一些相關(guān)的研究工作。
　　 本學(xué)位論文主要研究光子晶體和表面等離子激元周期性材料中的新穎光學(xué)特性,基于此

2、設(shè)計(jì)出新型納米光子器件,并探討其在納米光子集成和提高薄膜太陽(yáng)能電池效率等方面的應(yīng)用。具體研究?jī)?nèi)容與結(jié)果如下：
　　 (1)研究了光子晶體的色散特性,著重研究光子晶體的特殊光學(xué)現(xiàn)象-自準(zhǔn)直、定向發(fā)射、同向耦合性質(zhì)。利用自準(zhǔn)直和同向耦合效應(yīng),設(shè)計(jì)了一種耦合長(zhǎng)度只有11倍晶格常數(shù)的可以任意彎曲的光子晶體分束器。通過(guò)對(duì)自準(zhǔn)直區(qū)域入射和出射端面的修飾,即使入射點(diǎn)光源位置在15倍晶格常數(shù)距離之外,出射光仍可以形成定向發(fā)射,在空氣中傳播30倍

3、晶格常數(shù)距離時(shí),發(fā)散角在15度以內(nèi)。在此基礎(chǔ)上,探討了光子晶體自準(zhǔn)直、定向發(fā)射和同向耦合性質(zhì)在集成光學(xué)互聯(lián)中應(yīng)用的可能性。
　　 (2)利用亞波長(zhǎng)金屬狹縫結(jié)合表面電介質(zhì)光柵對(duì)表面等離子波的控制,提出了分別具有亞波長(zhǎng)金屬單縫和雙縫的兩種表面等離子激元聚焦器件的設(shè)計(jì)方案,時(shí)域有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算結(jié)果顯示,兩種金屬納米透鏡的聚焦光斑半高寬均小于入射光波長(zhǎng),會(huì)聚長(zhǎng)度只有5到6倍入射光波長(zhǎng)。通過(guò)改變表面光柵形狀與分布、入射小孔的形狀可以控制出

4、射光的相位變化,從而調(diào)節(jié)金屬納米透鏡的聚焦長(zhǎng)度和聚焦光斑半高寬。
　　 (3)根據(jù)亞波長(zhǎng)金屬?gòu)?fù)合光柵的衍射、散射、反射特性和表面等離子激元的近場(chǎng)電磁場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng),在太陽(yáng)能電池背部引入復(fù)合光柵提出了一種能夠顯著提高光子捕獲能力的光學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。嚴(yán)格耦合波數(shù)值分析結(jié)果證實(shí)不論入射光的偏振狀態(tài)如何,此結(jié)構(gòu)對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)光子都表現(xiàn)出了良好的吸收能力。平均光吸收在光柵周期為250nm,寬度為100nm時(shí)會(huì)出現(xiàn)峰值。相比于相同厚度的平面非晶硅電