表面等離激元與標準光纖的集成和應用.pdf

1、在過去的幾十年里，光纖推動了全球通信系統(tǒng)的革命性進展，已經(jīng)構成了支撐全球信息交互的環(huán)路系統(tǒng)?，F(xiàn)代光子學和光信息技術的進步，以及對高帶寬和低功耗等性能要求的提高，促使光子元器件不斷向微型化和集成化方向發(fā)展。一般來說，由于有限折射率的影響，光纖對光的約束能力受到衍射極限的限制。金屬表面等離激元（Surface Plasmon Polariton，SPP）結構能夠?qū)⒐鈭瞿芰考s束在遠小于光波波長的空間尺度內(nèi)，是突破光學衍射極限的有效途徑之一，在

2、傳統(tǒng)的光纖光路中引入金屬結構可能成為改善光纖系統(tǒng)性能的一個有效手段。相比于光纖，金屬納米線SPP結構具有更強的局域效應，但傳輸損耗過大。在這樣的背景下，我們提出基于標準光纖的SPP系統(tǒng)，將SPP金屬結構集成進光纖光路，并將其應用于干涉儀、諧振腔等光子學器件。
　　為系統(tǒng)地研究金屬納米線與標準光纖的集成，在本工作的第一部分，我們定量研究了金屬納米結構中的SPP傳輸損耗。由于銀的本征損耗較小，化學生長的銀線有很好的表面質(zhì)量和直徑均勻度

3、，因此銀納米線有相對很好的導光特性，在傳導型表面等離激元中有廣泛的應用。但是銀線的化學性質(zhì)很不穩(wěn)定，很容易與空氣中的氧氣、二氧化硫等發(fā)生反應，不利于長期保存，通常在空氣中只能保存幾天。金納米線在可見和紅外波段傳輸損耗略高于銀納米線，但是有很好的化學穩(wěn)定性，在近紅外波段有很好的應用前景。作為最為常用的兩種金屬納米波導，我們這里定量研究金納米線和銀納米線的傳輸損耗。
　　依靠近場接觸直接耦合，我們用拉錐的微納光纖作為輸入來高效地激發(fā)金

4、屬納米線的SPP模式，定量可重復地測量納米線的輸出端光強，從而確定納米線的傳輸損耗。對于260 nm直徑的銀納米線，我們測得633 nm波長的典型傳輸損耗為0.41 dB/μm。在785 nm波段，我們得到210nm直徑的金納米線典型傳輸損耗為0.89 dB/μm。對于金納米線，我們還研究了傳輸損耗與直徑的關系，隨直徑增加，一般來說金線的傳輸損耗減少。我們的直接測量結果對化學生長的金和銀納米線提供一個相對準確的參考值，為基于金屬納米線S

5、PP波導的器件應用提供一些參考。
　　基于上述工作，我們考慮在標準光纖回路中集成金屬SPP結構，提出基于標準光纖的光子-表面等離激元復合回路。利用近場耦合，我們實現(xiàn)了785 nm波段光子到表面等離激元92％的耦合效率，并在此基礎上提出基于標準光纖的SPP探針，在通信波段實現(xiàn)了包括諧振腔和Mach-Zehnder干涉儀的全光纖光子-表面等離激元復合器件。其中光子-表面等離激元復合諧振腔品質(zhì)因子（Q值）可達到6×106，Mach-Ze

6、hnder干涉儀(MZI)消光比可達到30dB。通過可熱插拔的標準FC/PC連接，我們可以很方便地通過增加或減少標準光纖的長度來改變光程差，從而調(diào)節(jié)諧振和干涉器件的自由光譜范圍。作為Mach-Zehnder干涉儀的典型應用，我們還進一步探索了標準光纖兼容的高靈敏度低功耗SPP傳感器的可能性。
　　綜上所述，本論文基于拉錐光纖探針與金屬納米線的近場耦合，提出基于標準光纖的SPP系統(tǒng)，將SPP金屬結構集成進光纖光路，并將其應用于干涉儀