納米線波導(dǎo)的光纖耦合及應(yīng)用研究.pdf

1、在亞波長(zhǎng)尺度上實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的操控是光子器件的發(fā)展趨勢(shì)。微納光波導(dǎo)，特別是半導(dǎo)體納米線波導(dǎo)，作為在介觀尺度上對(duì)光子非常有效的二維約束結(jié)構(gòu)吸引了眾多的研究熱情，并有望成為微納光子器件的基本元件之一。在最近幾年逐漸興起的一個(gè)新興領(lǐng)域——表面等離激元(SPP)光子學(xué)也對(duì)集成光學(xué)的發(fā)展有很重要的影響。SPP波導(dǎo)打破了衍射極限的限制，使得光信號(hào)可以以深亞波長(zhǎng)尺度約束進(jìn)行傳輸。在上述光子結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用中，利用納米光纖耦合及傳輸光信號(hào)是近年來發(fā)展起來的

2、一種簡(jiǎn)單高效的新方法，也是目前連接微納結(jié)構(gòu)與宏觀器件的最有效方式之一。本工作對(duì)納米線波導(dǎo)與納米光纖探針的耦合做了深入研究，并利用這一結(jié)構(gòu)的高效率耦合特性，研制成功帶有尾纖輸出的納米帶環(huán)形激光器，同時(shí)直接測(cè)量了SPP納米線的傳輸損耗。
　　 作為典型的微納光波導(dǎo)之一，半導(dǎo)體納米線具有制作方便、損耗低、增益強(qiáng)、非線性系數(shù)大和光約束能力強(qiáng)等優(yōu)異性能。本文在第二章介紹了半導(dǎo)體納米線的光學(xué)特性，將氧化鋅納米線近似看成圓柱形波導(dǎo)后對(duì)其模場(chǎng)求

3、解析解得到其模場(chǎng)特性:線偏振和圓偏振的導(dǎo)模的電場(chǎng)分布情況、納米線內(nèi)部及周圍的電場(chǎng)和能量的分布及不同直徑的納米線的色散特性。之后我們用微擾理論從物理圖像上分析了納米線間的倏逝波耦合，并對(duì)不同參數(shù)的納米線之間的耦合做了分析。在第三章中，我們利用微操作將半導(dǎo)體納米線制備成帶有尾纖輸出的環(huán)形諧振腔來制作納米線激光器。使用的單根納米帶的橫截面積為600 nm×300 nm。當(dāng)用超連續(xù)光對(duì)制備的環(huán)形腔進(jìn)行泵浦時(shí)，在523 nm附近可以得到半高寬為0

4、.27 nm的多模激光輸出。這一結(jié)構(gòu)的輸出具有大約為5∶1偏振比和3.7 nW的激光輸出功率。所獲得的激光輸出功率高于其他納米線激光器的結(jié)果。
　　 在第四章我們對(duì)SPP波導(dǎo)的導(dǎo)波特性進(jìn)行研究。首先介紹了SPP的基本概念，接著對(duì)單根銀納米線在均勻介質(zhì)中的導(dǎo)模進(jìn)行分析，然后在實(shí)驗(yàn)上對(duì)單根銀納米線的傳輸損耗進(jìn)行直接測(cè)量。利用納米光纖探針的導(dǎo)波特性，我們實(shí)現(xiàn)了從納米光纖到銀納米線的穩(wěn)定高效的光子-SPP耦合。通過改變SPP在銀納米線中

5、的傳輸長(zhǎng)度，我們對(duì)銀納米線中的SPP傳輸損耗進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)得的結(jié)果為:0.64 dB/μm(532 nm)，0.41 dB/μm(633 nm)和0.33 dB/μm(980nm)，該結(jié)果與有限元分析結(jié)果符合。這一結(jié)果證實(shí)了之前對(duì)銀納米線的傳輸損耗的間接實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表明之前的理論計(jì)算值偏高。
　　 綜上所述，基于納米線波導(dǎo)與納米光纖的高效率耦合特性，本論文工作在半導(dǎo)體納米線激光器輸出與SPP波導(dǎo)損耗特性表征方面獲得重要進(jìn)展，研究結(jié)