基于表面等離激元的若干納米光子學器件.pdf

1、納米光子學通常是指研究結(jié)構(gòu)在亞微米尺度（特別在小于100nm尺度）下，光子與物質(zhì)或者器件相互作用的科學。表面等離激元(SPPs)是在介電常數(shù)符號相反的兩種介質(zhì)面（通常用金屬與絕緣體）上存在的一種電磁表面波的模式，可以打破衍射極限的限制。在適當?shù)慕饘倥c介質(zhì)組成的光波導結(jié)構(gòu)中，光可以被束縛在亞波長的尺度之下。因此，利用金屬與介電界面上的表面等離基元可以制作高度集成的納米器件。目前，對表面等離激元的研究已經(jīng)被稱為表面等離子體學(Plasmon

2、ics)，是當前納米光子學的主要分支之一。金屬-絕緣體-金屬(MIM)結(jié)構(gòu)是一種典型的表面等離激元波導，利用這種波導結(jié)構(gòu)的特性，人們已經(jīng)在理論或?qū)嶒炛性O(shè)計了多種表面等離激元光學器件。本論文針對納米光子學器件中的多功能全光邏輯門，光學傳感器，以及濾波器開展研究工作。
　　第一章概述性地介紹了表面等離激元。重點討論了金屬-絕緣體(MI)界面與多層膜結(jié)構(gòu)的表面等離激元的特性與激發(fā)方式，表面等離激元的應用特別是在MIM結(jié)構(gòu)中的納米光子學器

3、件的應用，納米光子學器件設(shè)計中常用的數(shù)值算法以及在數(shù)值計算中常用到的色散介質(zhì)的模型。
　　第二章使用了時域有限差分法(FDTD)研究了多層膜結(jié)構(gòu)中的多功能全光邏輯門。理論與數(shù)值計算表明，通過控制雙金屬納米間隙波導的耦合距離與三金屬納米間隙波導的耦合距離，可以在一個多層膜結(jié)構(gòu)中同時集成AND邏輯操作、OR邏輯操作、NOT邏輯操作以及XOR邏輯操作。給出了雙金屬納米間隙波導與三金屬納米間隙波導的耦合方程以及相應的本征模式，并且利用矩陣

4、的形式把數(shù)值求解出的本征模式代入到耦合方程，從而得出在不同的輸入配置下不同輸出端口的光強。結(jié)果顯示:在多功能全光邏輯門中，AND，OR，XOR和NOT邏輯操作的消光比分別為4.1dB，11.1dB，18.0dB和18.7dB。
　　第三章使用有限元法(FEM)研究了矩形諧振腔中的不同的共振模式。利用MIM波導激發(fā)出金屬矩形諧振腔中的窄帶共振模式與寬帶共振模式，通過窄帶共振模式與寬帶共振模式的干涉，可以形成Fano共振。討論了矩形腔

5、的尺寸與共振波長的關(guān)系，通過調(diào)控窄帶共振模式與寬帶共振模式共振波長的相對位置，得到了不同形狀的非對稱的Fano透射譜線。利用這種非對稱譜線特有性質(zhì)，設(shè)計出了納米光學傳感器。結(jié)果表明:這種折射率傳感器靈敏度為530nm/RIU，F(xiàn)OM(figure of merit)值為650。值得一提的是，與其它一些實現(xiàn)非對稱結(jié)構(gòu)實現(xiàn)Fano共振不同，我們的結(jié)構(gòu)是對稱的。
　　第四章研究了在MIM波導中級聯(lián)納米圓盤結(jié)構(gòu)的透射特性。通過控制級聯(lián)納米

6、圓盤中不同的圓盤的半徑，在通信波長1550nm處，實現(xiàn)了高透過率(約90％)、高Q值（約為60）濾波特性。分析這種濾波特性的本征模式可知，與單一納米圓盤共振的模式不同，級聯(lián)納米圓盤結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了聯(lián)合共振模式。這種聯(lián)合共振模式保證了濾波器的高透過率與高Q值。我們還分析了級聯(lián)納米圓盤的結(jié)構(gòu)參數(shù)對濾波器的輸出波長以及Q值的影響。結(jié)果顯示:該濾波器的輸出波長與圓盤的半徑成線性關(guān)系，其Q值受到R1/D的調(diào)控。
　　第五章對本論文進行了總結(jié)，并