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(diǎn)，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(shí)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(jī)理和新技術(shù)來(lái)實(shí)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(wèn)題，它存在于金屬與

2、介質(zhì)之間，能夠有效地增強(qiáng)電磁場(chǎng)的空間局域性和近場(chǎng)強(qiáng)度，從而可以突破光的衍射極限。近年來(lái)，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(gè)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(chǎng)體積，而且還能夠有效地降低器件尺寸，實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)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(duì)于由兩個(gè)或者多個(gè)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(gè)研究組并沒有開展更為深入細(xì)致的研究工作。
　　在整篇論文中，我們主要致

3、力于對(duì)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(gè)方面工作:
　　第一部分設(shè)計(jì)了一個(gè)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(guò)時(shí)域有限差法算法計(jì)算得到了混合微盤之間的耦合強(qiáng)度、分子結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因數(shù)Q、模場(chǎng)體積Veff與兩個(gè)微盤耦合間距d的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)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(gè)混合回音壁模式不同的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性，首先介紹了電磁場(chǎng)中近場(chǎng)到遠(yuǎn)場(chǎng)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(guò)改變角模式數(shù)的方法可以獲得顯著的方向性增強(qiáng)。
　　總之，相比于光子分子結(jié)構(gòu)，我們?cè)O(shè)計(jì)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(qiáng)優(yōu)點(diǎn)，而且還可以突破衍射局限，進(jìn)一步降低光子器件尺寸到亞波長(zhǎng)維度，同時(shí)可以獲得較高的品質(zhì)因數(shù)和較小的模場(chǎng)體積從而進(jìn)一步降低回音壁模式激光