表面等離激元光波導(dǎo)的譜元法求解及設(shè)計(jì).pdf

1、表面等離激元(surfaceplasmonpolariton，SPP)是在金屬表面區(qū)域的一種自由電子集體振蕩和光子電磁場(chǎng)的相互作用形成的電磁模，這種相互作用使得SPP具有很多獨(dú)特的有意義的性質(zhì)，迅速發(fā)展成為一門新興學(xué)科，在生物、化學(xué)、能源、信息等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。SPP光波導(dǎo)具備突破衍射極限的模式束縛能力，能滿足未來高度集成光子線路對(duì)集成度的要求。本學(xué)位論文主要利用譜元法設(shè)計(jì)了一種新穎的SPP光波導(dǎo)，并對(duì)其在高度集成光子線路領(lǐng)域的

2、應(yīng)用進(jìn)行了深入研究;同時(shí)探討了基于稀土離子的增益輔助SPP傳播的可能性。
　　由于SPP光波導(dǎo)具有奇特的幾何配置和模場(chǎng)分布，模場(chǎng)會(huì)在金屬周圍的納米尺度范圍內(nèi)強(qiáng)烈集中和劇烈變動(dòng)，這就使得一些傳統(tǒng)數(shù)值模擬方法面臨巨大的挑戰(zhàn)。本文首次采用譜元法對(duì)表面等離激元光波導(dǎo)進(jìn)行建模和仿真。譜元法是一種高階有限元方法，采用Gauss-Lobatto-Legendre多項(xiàng)式構(gòu)造高階基函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)譜式的精度。我們同時(shí)提出了以金屬-介質(zhì)交界面周邊額外網(wǎng)格

3、元為特征的非均勻網(wǎng)格劃分機(jī)制，以便捕獲SPP光波導(dǎo)的波導(dǎo)幾何結(jié)構(gòu)及其劇烈變化的模式場(chǎng)分布。本學(xué)位論文對(duì)兩種典型SPP光波導(dǎo)進(jìn)行了譜元法求解，對(duì)精度和模式場(chǎng)分布的分析表明，譜元法是極其精確和高效的。
　　金屬損耗的存在，長(zhǎng)久以來限制了SPP光波導(dǎo)的進(jìn)一步應(yīng)用。為了克服這個(gè)困難，本文利用譜元法提出了一種工作于電信通信波段λ0=1550nm處的基于槽縫的SPP光波導(dǎo)，其幾何配置是在槽縫波導(dǎo)低介電常數(shù)區(qū)域的正中心插入一個(gè)金屬條塊，整個(gè)波導(dǎo)

4、的幾何尺寸為～300×300nm2。
　　三維集成能在兩個(gè)方向上集成器件，大大提高了集成密度。用于三維集成的基于槽縫的SPP光波導(dǎo)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)低于衍射極限的等效模式面積（～0.3A0，A0為工作波長(zhǎng)在真空中的衍射極限面積）和毫米量級(jí)的傳播距離(～2.6mm)。參量圖顯示，與傳統(tǒng)SPP光波導(dǎo)對(duì)比，性能得到了極大的提升。本文同時(shí)也對(duì)模式寬度和串話干擾進(jìn)行了分析，結(jié)果證明了該SPP光波導(dǎo)具備優(yōu)異的三維集成性能。
　　用于平面集成的

5、基于槽縫的SPP光波導(dǎo)能夠與當(dāng)前半導(dǎo)體平面制備工藝相兼容。由于波導(dǎo)置于襯底，而上包層為空氣，主橫向電場(chǎng)分量的偶對(duì)稱性被破壞，傳播損耗將增大。本文通過調(diào)節(jié)上硅塊高度，對(duì)這種SPP光波導(dǎo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，重新獲得長(zhǎng)距離傳播所要求的完全偶對(duì)稱性，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)模式傳播距離。與前人提出的SPP光波導(dǎo)各方面性能的比較可見，基于槽縫的SPP光波導(dǎo)是未來高度集成光子線路的最優(yōu)侯選方案之一。
　　克服SPP光波導(dǎo)損耗的另一個(gè)解決方案是增益輔助SPP傳播，其

6、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)為高增益材料和低損耗SPP線路。確定材料增益系數(shù)須對(duì)其光譜進(jìn)行測(cè)定和分析。摻Pr3+稀土離子的Gd3Ga5O12(GGG)晶體在可見光范圍內(nèi)產(chǎn)生受激發(fā)射方面有很大的應(yīng)用潛力。本學(xué)位論文也對(duì)1at.％的Pr(:)GGG晶體的固體激光性能和增益放大性能進(jìn)行詳細(xì)研究。我們?cè)谑覝叵聹y(cè)量了該晶體的吸收光譜和熒光光譜，以及熒光壽命衰減曲線。采用標(biāo)準(zhǔn)Judd-Ofelt理論和改進(jìn)Judd-Ofelt理論對(duì)其振子強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行了分析

7、，進(jìn)而預(yù)測(cè)了3P0激發(fā)多重態(tài)的熒光性質(zhì)。3P0→3F3和3P0→3H5這兩個(gè)躍遷違反了晶體中稀土離子電偶極躍遷的選擇定則，為了表征其在實(shí)測(cè)光譜中的存在，本文引入了實(shí)驗(yàn)分支比，以便如實(shí)反映從3P0基態(tài)到各個(gè)激發(fā)態(tài)的真實(shí)比例。本文計(jì)算了其中一個(gè)具備應(yīng)用前景、極有可能產(chǎn)生激光的躍遷的受激發(fā)射截面，并將結(jié)果與其它已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高效可見光激射的激光晶體進(jìn)行了比較。通過這一系列的光譜分析，可以證明，Pr(:)GGG是一個(gè)極其優(yōu)秀的固體增益材料，有望應(yīng)用于