表面等離激元與標(biāo)準(zhǔn)光纖的集成和應(yīng)用.pdf

1、在過(guò)去的幾十年里，光纖推動(dòng)了全球通信系統(tǒng)的革命性進(jìn)展，已經(jīng)構(gòu)成了支撐全球信息交互的環(huán)路系統(tǒng)?，F(xiàn)代光子學(xué)和光信息技術(shù)的進(jìn)步，以及對(duì)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(lái)說(shuō)，由于有限折射率的影響，光纖對(duì)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(jié)構(gòu)能夠?qū)⒐鈭?chǎng)能量約束在遠(yuǎn)小于光波波長(zhǎng)的空間尺度內(nèi)，是突破光學(xué)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(jié)構(gòu)可能成為改善光纖系統(tǒng)性能的一個(gè)有效手段。相比于光纖，金屬納米線SPP結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的局域效應(yīng)，但傳輸損耗過(guò)大。在這樣的背景下，我們提出基于標(biāo)準(zhǔn)光纖的SPP系統(tǒng)，將SPP金屬結(jié)構(gòu)集成進(jìn)光纖光路，并將其應(yīng)用于干涉儀、諧振腔等光子學(xué)器件。
　　為系統(tǒng)地研究金屬納米線與標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)中的SPP傳輸損耗。由于銀的本征損耗較小，化學(xué)生長(zhǎng)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(duì)很好的導(dǎo)光特性，在傳導(dǎo)型表面等離激元中有廣泛的應(yīng)用。但是銀線的化學(xué)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(yīng)，不利于長(zhǎng)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(xué)穩(wěn)定性，在近紅外波段有很好的應(yīng)用前景。作為最為常用的兩種金屬納米波導(dǎo)，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(chǎng)接觸直接耦合，我們用拉錐的微納光纖作為輸入來(lái)高效地激發(fā)金

4、屬納米線的SPP模式，定量可重復(fù)地測(cè)量納米線的輸出端光強(qiáng)，從而確定納米線的傳輸損耗。對(duì)于260 nm直徑的銀納米線，我們測(cè)得633 nm波長(zhǎng)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(duì)于金納米線，我們還研究了傳輸損耗與直徑的關(guān)系，隨直徑增加，一般來(lái)說(shuō)金線的傳輸損耗減少。我們的直接測(cè)量結(jié)果對(duì)化學(xué)生長(zhǎng)的金和銀納米線提供一個(gè)相對(duì)準(zhǔn)確的參考值，為基于金屬納米線S

5、PP波導(dǎo)的器件應(yīng)用提供一些參考。
　　基于上述工作，我們考慮在標(biāo)準(zhǔn)光纖回路中集成金屬SPP結(jié)構(gòu)，提出基于標(biāo)準(zhǔn)光纖的光子-表面等離激元復(fù)合回路。利用近場(chǎng)耦合，我們實(shí)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(chǔ)上提出基于標(biāo)準(zhǔn)光纖的SPP探針，在通信波段實(shí)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(fù)合器件。其中光子-表面等離激元復(fù)合諧振腔品質(zhì)因子（Q值）可達(dá)到6×106，Mach-Ze

6、hnder干涉儀(MZI)消光比可達(dá)到30dB。通過(guò)可熱插拔的標(biāo)準(zhǔn)FC/PC連接，我們可以很方便地通過(guò)增加或減少標(biāo)準(zhǔn)光纖的長(zhǎng)度來(lái)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(yīng)用，我們還進(jìn)一步探索了標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)耦合，提出基于標(biāo)準(zhǔn)光纖的SPP系統(tǒng)，將SPP金屬結(jié)構(gòu)集成進(jìn)光纖光路，并將其應(yīng)用于干涉儀