金屬-介質(zhì)微納復(fù)合結(jié)構(gòu)及光子器件應(yīng)用.pdf

1、微型化是近年來(lái)先進(jìn)光子技術(shù)和器件的重要發(fā)展方向，其中微納光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。通常，介質(zhì)材料具有低損耗等優(yōu)良光學(xué)特性，但其對(duì)光場(chǎng)的約束受到衍射極限的限制，而且介質(zhì)襯底材料易于對(duì)傳輸光場(chǎng)分布造成較大的影響．金屬材料可以通過(guò)將入射光波能量轉(zhuǎn)化為金屬表面自由電子的集群振蕩，具有深亞波長(zhǎng)尺度約束以及可以同時(shí)傳輸光信號(hào)和電信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)，在微納光子學(xué)領(lǐng)域受到越來(lái)越多的關(guān)注，然而金屬材料在對(duì)光場(chǎng)具有強(qiáng)約束的同時(shí)，不可避免地會(huì)產(chǎn)生很高的光學(xué)損耗

2、，引起嚴(yán)重的信號(hào)衰減和熱量產(chǎn)生等問(wèn)題。如何在維持光場(chǎng)強(qiáng)約束的同時(shí)降低傳輸損耗，是目前深亞波長(zhǎng)尺度光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)所面臨的關(guān)鍵問(wèn)題之一。基于上述考慮，我們提出使用金屬—介質(zhì)微納復(fù)合結(jié)構(gòu)（金屬支撐型微納光纖環(huán)、近場(chǎng)耦合型金屬—介質(zhì)納米線(xiàn)）來(lái)降低損耗并維持光場(chǎng)約束的方案，并成功地將其應(yīng)用于光學(xué)傳感器、分束器、干涉器、諧振腔等微納光子器件。
　　 在本工作的第一部分，我們研制了金屬銅棒支撐型微光纖環(huán)形諧振腔。通過(guò)調(diào)節(jié)耦合系數(shù)平衡諧振腔的內(nèi)在損

3、耗，實(shí)現(xiàn)了臨界耦合狀態(tài)，在臨界點(diǎn)附近獲得大約30dB的消光比，表明對(duì)于微納介質(zhì)光波導(dǎo)來(lái)說(shuō)，利用金屬支撐的復(fù)合結(jié)構(gòu)是降低襯底材料對(duì)微納波導(dǎo)光場(chǎng)影響的有效途徑。實(shí)驗(yàn)中在480μm直徑環(huán)形諧振腔中獲得的品質(zhì)因子（Q值）達(dá)到4000以上，同時(shí)，可以通過(guò)電流精確調(diào)節(jié)諧振腔特性。
　　 作為上述復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用之一，我們研究了該類(lèi)諧振腔在液體中的折射率光學(xué)傳感。通過(guò)測(cè)量諧振峰位移隨諧振腔所處環(huán)境折射率的改變，我們測(cè)量了低濃度酒精水溶液和高濃度

4、甘油水溶液的折射率，折射率測(cè)量的靈敏度分別達(dá)到了1.1×10-4和1.8×10-5，表明該類(lèi)復(fù)合型諧振腔能夠同時(shí)用于低濃度和高濃度的液體折射率傳感，具有高穩(wěn)定性、高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍等優(yōu)點(diǎn)。
　　 在本工作的第二部分，我們提出通過(guò)金屬—介質(zhì)納米線(xiàn)的近場(chǎng)耦合，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)約束和低損耗復(fù)合光子結(jié)構(gòu)的方案。通過(guò)介質(zhì)波導(dǎo)傳輸模場(chǎng)與金屬表面等離子體結(jié)構(gòu)傳輸模場(chǎng)的充分重疊，實(shí)現(xiàn)了微納光纖、ZnO納米線(xiàn)與Ag納米線(xiàn)的高效率直接耦合。比如，通過(guò)220

5、nm的耦合長(zhǎng)度，我們?cè)趩纹穹较蛏蠈?shí)現(xiàn)了650nm波長(zhǎng)的光從ZnO納米線(xiàn)到Ag納米線(xiàn)高達(dá)82％的耦合效率。另外，我們還實(shí)現(xiàn)了一根ZnO納米線(xiàn)同時(shí)激發(fā)多根Ag納米線(xiàn)中表面等離子體波的耦合方式。
　　 在此基礎(chǔ)上，我們采用Ag-ZnO納米線(xiàn)復(fù)合微納結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了偏振分束器、Mach-Zehnder干涉器和環(huán)形諧振腔等微納光子器件。對(duì)于耦合長(zhǎng)度為200nm量級(jí)的偏振分束器，消光比的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值約為12.7dB；對(duì)于58μm尺度的Mach-