【摘要】：納米腔是一種尺寸在納米數(shù)量級(jí)的諧振腔,它的原理是在折射率不連續(xù)的介質(zhì)表面上的反射、衍射或者全反射等效應(yīng),把光約束限制在一個(gè)納米尺寸的區(qū)域內(nèi)。納米腔在光通信器件和激光器等領(lǐng)域具有廣泛而有前景的應(yīng)用價(jià)值。近年來,表面等離子體激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)的混合等離子激元納米激光器吸引著廣大科研工作者的注意。它能夠突破衍射極限,在遠(yuǎn)低于其衍射限制的情況下產(chǎn)生和維持光。其強(qiáng)烈、相干而且具有限制能力的光場(chǎng),可以顯著提高光與物質(zhì)的相互作用,并且從根本上為生物傳感、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、光刻和光通信等領(lǐng)域帶來新的功能。然而現(xiàn)有的激光設(shè)計(jì)通常依賴于化學(xué)方法合成的納米線和納米微盤實(shí)現(xiàn)。這些化學(xué)合成的材料具有單晶等一系列優(yōu)點(diǎn),但是其缺點(diǎn)也很明顯。這些結(jié)構(gòu)通常在基片上是隨機(jī)分布的,不適合于和片上的集成光回路之間的對(duì)接;同時(shí),化學(xué)合成材料的形狀通常固定在特定的形狀,不具有好的方向性出射。為了解決這些問題,我們?cè)谡撐闹嗅槍?duì)自上而下的物理制備過程設(shè)計(jì)了一種基于半導(dǎo)體-絕緣體-金屬的混合表面等離子納米腔,著重研究了制備過程中不可避免的因素,例如表面粗糙度,形變對(duì)于納米腔性質(zhì)的影響,并最終得到了一種具有高適應(yīng)性的單向平面內(nèi)發(fā)射的納米激光器的設(shè)計(jì)。本論文集中研究了混合等離子體納米腔的構(gòu)型和激光出射特性,設(shè)計(jì)并仿真了一系列不同類型的納米腔,同時(shí)仿真研究了納米腔-波導(dǎo)的結(jié)構(gòu),在激光泵浦的條件下研究了納米腔的場(chǎng)分布、Q值變化以及激光定向出射的特性。本論文主要做出了以下工作:建立了一種三維納米腔結(jié)構(gòu),基于混合半導(dǎo)體-絕緣體-金屬的微腔結(jié)構(gòu),仿真研究了納米腔的場(chǎng)分布和Q值等性質(zhì)。接著,通過改變納米腔的形狀,對(duì)納米腔的外邊界和內(nèi)邊界等的形變研究了納米腔的Q值、有效模體積和珀塞爾因子等,我們的結(jié)果表明納米腔具有非常好的抗外界干擾能力以及較好的穩(wěn)定性能。提出了一種納米腔-波導(dǎo)的新型結(jié)構(gòu),得到了沿波導(dǎo)的單向出射。同時(shí),改變波導(dǎo)寬度、納米腔表面粗糙度等,仿真研究了納米腔定向出射激光Q值、有效模體積、珀塞爾因子等參數(shù)對(duì)于制備中變量的依賴,說明我們的設(shè)計(jì)具有很好的穩(wěn)定性以及魯棒性。
[Abstract]:Nano-cavity is a kind of resonator of nanoscale size. Its principle is reflection diffraction or total reflection on the surface of discontinuous refractive index which restricts the light to a nanometer-size region. Nano-cavity has a wide range of promising applications in optical communication devices and lasers. In recent years, the surface plasmon polaritons (SPPs) hybrid plasmon nanocrystalline lasers (SPPs) have attracted the attention of many researchers. It can break through the diffraction limit and produce and maintain light well below its diffraction limit. The strong coherent and limited light field can significantly improve the interaction between light and matter and bring new functions to the fields of biosensor data storage lithography and optical communication. However, the existing laser design usually depends on the chemical synthesis of nanowires and nanowires. These chemically synthesized materials have a series of advantages such as single crystal, but their disadvantages are also obvious. These structures are usually randomly distributed on substrates and are not suitable for docking with integrated optical circuits on a chip. At the same time, the shapes of chemically synthesized materials are usually fixed in specific shapes and do not exhibit good directional emission. In order to solve these problems, we designed a hybrid surface plasma nanocavity based on semiconductors, insulators and metals for the top-down physical fabrication process in this paper. For example, the influence of surface roughness and deformation on the properties of nano-cavity is discussed. Finally, a highly adaptable unidirectional in-plane laser is designed. The configuration and laser emission characteristics of hybrid plasma nanocavity are studied in this paper. A series of different types of nanocavity are designed and simulated, and the structure of nano-cavities and waveguides is also simulated. The variation of field distribution Q value and the characteristics of laser directed emission are studied under laser pumping. The main work of this thesis is as follows: a three-dimensional nanocavity structure is established. The field distribution and Q value of the nanocavity are simulated based on the microcavity structure of mixed semiconductor insulator and metal. Then, by changing the shape of the nanocavity, the Q value, the effective mode volume and the Purcell factor of the nanoscale cavity are studied by deforming the outer and inner boundaries of the nano-cavity. Our results show that the nanocavity has a very good ability to resist external interference and good stability. A novel structure of nanoscale cavities and waveguides is proposed, and the unidirectional emission along the waveguide is obtained. At the same time, the dependence of parameters such as Q value, effective mode volume, and Purcell factor on the parameters of the fabrication process is simulated by changing the waveguide width and the surface roughness of the nano-cavity. It shows that our design has good stability and robustness.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN248

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本文編號(hào)：2131572