表面等離子體激元共振腔性質(zhì)及全光調(diào)控研究.pdf

1、如何獲得突破衍射極限的光波導(dǎo)及光調(diào)制器，是實現(xiàn)納米全光集成的基礎(chǔ)，也是納米光子學(xué)領(lǐng)域的一大研究熱點。表面等離子體激元（Surface PlasmonPolaritons，SPP）共振腔把SPP和共振腔特點結(jié)合起來，可以實現(xiàn)高Q值、小模體積的微型SPP 共振腔。SPP全光調(diào)控利用SPP局域場增強特性可以實現(xiàn)高靈敏、低閾值、高速的SPP全光開關(guān)。SPP共振腔和SPP 全光調(diào)制器在納米光子器件、納米集成光路及微納傳感等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

2、本論文主要從理論和實驗上研究了表面等離子體激元共振腔以及SPP全光調(diào)控的物理機制和應(yīng)用。
　　 主要的研究工作和成果如下：
　　 1．利用波導(dǎo)理論分析了金屬-介質(zhì)-金屬（metal-dielectric-metal，M-D-M）狹縫結(jié)構(gòu)的色散關(guān)系、以及模式特點與介質(zhì)層厚度的關(guān)系。分析表明：結(jié)構(gòu)中兩個最低階TM模式分別對應(yīng)對稱的SPP（0）模式和反對稱的SPP（1）模式；SPP（0）模式?jīng)]有截止厚度，而SPP（1）不僅有截

3、止厚度，且存在一個臨界厚度。
　　 提出構(gòu)造結(jié)構(gòu)調(diào)制位相可有效調(diào)控SPP，為通過非線形光學(xué)材料復(fù)合特定金屬微納結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對SPP的全光動態(tài)調(diào)控提供了基礎(chǔ)。引入光學(xué)非線性，給出了金屬-非線性光學(xué)介質(zhì)-金屬（metal-nonlinear dielectric-metal，M-NLD-M）結(jié)構(gòu)的色散關(guān)系，研究了結(jié)構(gòu)中對稱模式SPP（0）和反對稱模式SPP（1）傳播常數(shù)與光強的關(guān)系，并利用入射光強調(diào)控兩個模式傳播常數(shù)差，實現(xiàn)了出射通道的

4、切換。
　　 理論分析了M-NLD-M 狹縫陣列結(jié)構(gòu)的光分束物理機制，設(shè)計了SPP分束器，基于法布里-珀羅（Fabry-Perot，F(xiàn)-P）腔共振和三階非線性光學(xué)效應(yīng)，通過改變?nèi)肷涔鈴姸日{(diào)控各狹縫單元間的位相差，實現(xiàn)了分束角的動態(tài)調(diào)控。
　　 2．利用邊界積分方法研究了SPP 在凹、凸金屬-介質(zhì)界面的色散關(guān)系、模式特性、相速度和傳播損耗。研究表明：凹面上傳播的SPP 相速度大于平面上傳播的SPP，而凸面上傳播的SPP 相

5、速度小于平面上傳播的SPP；由于界面的彎曲，曲面結(jié)構(gòu)的SPP 損耗比平面結(jié)構(gòu)的損耗大，研究結(jié)果對設(shè)計SPP 共振腔結(jié)構(gòu)器件具有很好的指導(dǎo)意義。通過理論分析研究了提高SPP 共振腔消光比的方法，并由此設(shè)計了具有高消光比的跑道形SPP 共振腔，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對于臨界耦合點的影響，選擇合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)使其在1.55μm波長處達到臨界耦合共振，消光比為-34.5dB。此結(jié)果對納米集成及其傳感、調(diào)制應(yīng)用具有重要意義。運用時間域的耦合模方程和非線性微

6、擾理論分析了跑道形SPP 共振腔的非線性光學(xué)雙穩(wěn)特性，并由此設(shè)計了高對比度的跑道形SPP 開關(guān)，泵浦光峰值光強為1.748MW/cm2 時，其開關(guān)時間為0.38ps，消光比為97.8％，這為微型、快速、低閾值和高開關(guān)比的SPP 全光調(diào)控器件的實現(xiàn)提供了必要的研究基礎(chǔ)。
　　 3．利用有限元方法分析了銀納米線三種構(gòu)型結(jié)構(gòu)的SPP模式特點、Q 因子及有效模體積Veff。基于以上研究，設(shè)計了高Q值、超小模體積的銀納米環(huán)-介質(zhì)-銀膜SP

7、P-Gap 共振腔結(jié)構(gòu)。研究分析了結(jié)構(gòu)中腔模式（Gap mode）的場分布特點、Q 因子及有效模體積與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，并優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，Veff和Q/Veff分別達到0.0083 3 m μ和1.6×104 3 m μ?。該研究有利于發(fā)展芯片集成的新型SPP 傳感、有源納光子器件及其集成技術(shù)。
　　 4．理論分析了SPP 在各向異性單軸晶體-金屬界面的色散關(guān)系和傳播特性，研究表明：各向異性單軸晶體-金屬界面的SPP 性質(zhì)和晶體

8、光軸的取向有著很大的關(guān)系，光軸在垂直界面（XZ 平面）中取向時，其對SPP 性質(zhì)的影響比在界面（XY 平面）中取向影響大。并設(shè)計了實驗方案，實驗驗證了理論分析結(jié)果。利用Krestschmann-Raether 結(jié)構(gòu)研究了棱鏡-銀膜-偶氮聚合物的SPP 全光調(diào)制，選擇合適偏振的光泵浦方式，得到了47.74％的對比度。該結(jié)果對各向異性晶體-金屬界面SPP 物理性質(zhì)研究及其全光調(diào)控具有重要意義。
　　 本論文創(chuàng)新點和特色：
　　

9、 1.提出通過增加耦合長度來提高SPP 共振腔的消光比?；诖耍O(shè)計了高消光比的跑道形SPP 共振腔，其消光比可以達到-34.5dB。運用時間域的耦合模方程和非線性微擾理論分析了跑道形SPP 微腔的非線性光學(xué)雙穩(wěn)特性，并由此設(shè)計了高對比度的跑道形SPP 開關(guān)，峰值光強為1.748MW/cm2 時，其開關(guān)時間為0.38ps，開關(guān)比為97.8％。
　　 2.基于SPP模式分布特點，提出了銀納米環(huán)-介質(zhì)-銀膜結(jié)構(gòu)SPP-Gap 共振