【摘要】：表面等離激元（Surface Plasmon Polariton, SPP）是一種沿金屬與介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ臋M磁波，其場分布在以分界面為原點的相鄰金屬和介質(zhì)中按指數(shù)形式衰減。表面等離子波能夠突破衍射極限對光子的束縛，實現(xiàn)亞波長尺度的光子回路，在實現(xiàn)傳統(tǒng)器件小型化和集成化方面具有廣闊的研究前景，例如在生物傳感器、納米刻蝕、新型光源、超分辨成像、納米集成光子器件、亞波長光學數(shù)據(jù)存儲等方面都扮演著重要的角色。但由于SPP束縛性強，金屬吸收產(chǎn)生的傳輸損耗較大，在一定程度上限制了其應用范圍。為降低光傳輸損耗，本文利用聚甲基丙烯酸甲酯-甲基酸環(huán)氧丙酯（P(MMA-GMA））作為金屬波導的上包層和下包層，采用光刻和碘化鉀（KI）濕法腐蝕工藝，從以下幾個方面展開研究： （1）表面等離子波的基本理論。學習并推導表面等離激元及其色散關(guān)系，采用二維模型導出表面等離子波及其衍生推論，針對三種激發(fā)SPP方式的優(yōu)缺點，提出采用波導結(jié)構(gòu)來激發(fā)SPP。 （2）長程表面等離子（Long-Range Surface Plasmon Polariton, LRSPP）波導的制備。超聲剝離法制備LRSPP會在波導表面存在魚鰭狀突起，不利于模場的控制，并會在一定程度上增加器件的傳輸損耗。創(chuàng)新性的利用光刻膠作為波導掩膜，采用濕法腐蝕工藝制備金屬LRSPP波導，并采用原子力顯微鏡（AFM）和掃描電子顯微鏡（SEM）對波導表面的粗糙度、側(cè)壁陡直度以及金波導的尺寸進行表征。結(jié)果表明，制備的器件形貌較好，可滿足長程表面等離子波的傳播條件。采用光纖端面耦合激發(fā)方式，實現(xiàn)1550nm近紅外光與LRSPP波導的耦合，并獲得了器件的遠場輸出光斑、傳輸損耗和開關(guān)響應時間等重要特性參數(shù)。實驗結(jié)果表明利用該方法制備的LRSPP可實現(xiàn)在近紅外波長下的低損耗光傳輸，可應用于光開關(guān)等不同種類的LRSPP波導器件。 （3）Mach-Zehnder Interferometer結(jié)構(gòu)LRSPP波導器件的制備及光傳輸性能的測試。對器件結(jié)構(gòu)進行介紹并給出相應的工藝流程。在器件制備過程中，采用高密度感應耦合等離子體刻蝕機（ICP）刻蝕出電極結(jié)構(gòu)，在測試器件性能時發(fā)現(xiàn)其對光場的限制較好，開關(guān)的上升和下降時間分別為150μs和268μs。 （4）LRSPP-SU-8波導垂直耦合器件的制備和測試。利用LRSPP波導和紫外光刻膠SU-8波導的垂直結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)光場在兩波導間的耦合傳播。采用Comsol對波導的結(jié)構(gòu)進行模擬和優(yōu)化，在對器件形貌的表征中驗證了實驗工藝的有效性。當Au波導寬度為6μm，SU-8波導寬度為5μm，二者耦合區(qū)長度為2500μm時，無論光信號由Au波導或SU-8波導輸入均可得到器件波導間耦合的光輸出。
【圖文】：

金屬內(nèi)自由電子的介電常數(shù)為 2201 1pDii 分別表示為 2 2 2Re 1R p D 2 2 2ImI p D D 率：n n i ，則金屬的復數(shù)折射率可寫為 1 22 212R I Rn 1 22 212R I R

第二章 表面等離子波基本理論因此，可采用圖 2.4 所示波導結(jié)構(gòu)，它由厚度為 t，寬度為屬條，及其包覆它的介電系數(shù)為 ε1的無限均勻介質(zhì)構(gòu)成，Drude 經(jīng)典電子論，金屬的復介電系數(shù)由等離子體頻率色 2 2,22 2 2 21p prvjv v ，ωp為電子等離子體頻率，，ν 為等效電子碰撞頻率。當 ω長下情形) 時，金屬介電系數(shù)實部 εr,2為負值，這意味著正的介質(zhì)與金屬界面之間。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN252

【參考文獻】

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本文編號：2569278