【摘要】：伴隨著光通信朝著超高速、超大容量、超長(zhǎng)距離方向的快速發(fā)展,人們對(duì)器件工作性能和集成度的要求不斷提高,光電器件的微型化已成為光通信及相關(guān)領(lǐng)域研究與應(yīng)用的重要趨勢(shì)之一。其中,微納光波是研究微納尺度光子學(xué)現(xiàn)象和構(gòu)筑微納光子器件的重要基石,其具有緊湊、光場(chǎng)約束能力強(qiáng)、損耗低、易于集成等優(yōu)異性能,已經(jīng)成為當(dāng)前微納光子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。伴隨不同類(lèi)型微納波導(dǎo)的出現(xiàn),功能性、可調(diào)控等特性成為目前微納光學(xué)領(lǐng)域研究者關(guān)注的熱點(diǎn)之一�；诠δ芄怆姴牧�,譬如電光、聲光、壓電材料等,以及器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)器件難以實(shí)現(xiàn)的功能,譬如巨波導(dǎo)色散、大非線(xiàn)性系數(shù)、異常傳輸?shù)忍匦�。本論文圍繞如何實(shí)現(xiàn)可控波導(dǎo)特性開(kāi)展研究工作,開(kāi)展了微納光波導(dǎo)的傳輸特性以及應(yīng)用的研究工作。主要工作包括:(1)數(shù)值研究了鈮酸鋰微納波導(dǎo)的色散特性及其調(diào)控能力,獲得了波導(dǎo)參數(shù)及外場(chǎng)條件對(duì)其色散特性的影響規(guī)律。設(shè)計(jì)了一種具有中間鈮酸鋰材料包層的三層波導(dǎo)結(jié)構(gòu),理論推導(dǎo)了該微納波導(dǎo)的本征方程,重點(diǎn)對(duì)其在可見(jiàn)光633 nm波長(zhǎng)和光纖通信波長(zhǎng)1550 nm時(shí)的色散特性進(jìn)行了研究。通過(guò)改變光纖的內(nèi)芯直徑或者改變鈮酸鋰薄膜厚度,實(shí)現(xiàn)了色散超大范圍變化。而且,利用鈮酸鋰材料的電光特性,通過(guò)施加外部偏壓,可以很好的對(duì)光纖的色散特性進(jìn)行有效的調(diào)控。(2)數(shù)值研究了鈮酸鋰微納波導(dǎo)的寬波段色散補(bǔ)償特性,獲得了其在中紅外波段色散特性的調(diào)控規(guī)律。設(shè)計(jì)了一種具有硅內(nèi)芯,中間鈮酸鋰材料包層的三層波導(dǎo)結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)鈮酸鋰微納光纖具有很大的群速度色散值,可以作為中紅外波段寬帶的色散補(bǔ)償器。我們重點(diǎn)探討了 3μm、4 μm和5μ 波長(zhǎng)時(shí)的群速度色散值,并且對(duì)由硅芯直徑大小改變和鈮酸鋰包層厚度改變所引起的群速度色散值的改變開(kāi)展了討論。同時(shí),討論了外加電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)對(duì)我們光纖群速度色散值的調(diào)控作用。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,可以通過(guò)選取不同的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)光纖群速度色散值的調(diào)節(jié),也可以通過(guò)改變材料的光學(xué)參數(shù)從而調(diào)節(jié)群速度色散。(3)數(shù)值研究了空芯微納鈮酸鋰波導(dǎo)的傳輸特性,并獲得了其在超連續(xù)光產(chǎn)生方面的調(diào)控規(guī)律。設(shè)計(jì)了一種鈮酸鋰空芯納米光纖,并且對(duì)其模場(chǎng)特性、能量密度流動(dòng)、色散特性、模場(chǎng)直徑以及非線(xiàn)性參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析。數(shù)值結(jié)果表明,該鈮酸鋰空芯納米線(xiàn)空氣芯層內(nèi)具有很強(qiáng)的光場(chǎng),可以用于加強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用。在鈮酸鋰空芯納米線(xiàn)外表面,具有很強(qiáng)的倏逝波,可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)與其他元件的光場(chǎng)耦合。此外,鈮酸鋰空芯微納光纖具有小的模場(chǎng)直徑和大的非線(xiàn)性系數(shù),對(duì)于非線(xiàn)性光子器件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有十分重要的指導(dǎo)意義。(4)首次基于等離子體隧道效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了光的異常反射現(xiàn)象,獲得了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其異常反射行為的影響規(guī)律�；诮饘�-介質(zhì)-金屬(MIM)結(jié)構(gòu),對(duì)由MIM組成的隧道結(jié)進(jìn)行了研究。推導(dǎo)了該結(jié)構(gòu)的隧道電流密度、隧道電導(dǎo)率以及隧道阻尼常數(shù)之間的關(guān)系式,并且分析了粒子質(zhì)量和隧道結(jié)勢(shì)壘高度大小對(duì)隧道電流密度,隧道電導(dǎo)率以及隧道阻尼常數(shù)的影響。利用所獲得的阻尼常數(shù)范圍,對(duì)我們所設(shè)計(jì)的有兩個(gè)周期性MIM結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)組成的超表面進(jìn)行電壓調(diào)控,當(dāng)一束3 μm,x方向上偏振的電磁波入射到該超表面時(shí),可以產(chǎn)生恒定的相位梯度,并且這個(gè)相位梯度常數(shù)可調(diào)。通過(guò)改變施加在每個(gè)MIM波導(dǎo)單元上的電壓值,我們所提出的基于等離子體隧道效應(yīng)的MIM超表面可以實(shí)現(xiàn)0-15度范圍內(nèi)異常反射角的可調(diào)。研究結(jié)果對(duì)發(fā)展新型可調(diào)諧微納光子器件提供了參考。
【圖文】：

表面等離激元是一種存在于金屬和介質(zhì)界面的表面電磁波，它可以沿著界逡逑面來(lái)進(jìn)行傳播，并且在垂直于傳播方向上呈現(xiàn)以指數(shù)形式衰減的趨勢(shì)。其示意逡逑圖如圖１．１所示：逡逑Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ邋［逡逑＋邋＋邋＋邐邐ｖ＾／＋邋＋邋＋邐邐邋Ｘ逡逑Ｍｅｔａｌ逡逑圖１．１表面等離激元在介質(zhì)和金屬界面?zhèn)鞑ナ疽鈭DＩ６２］逡逑表面等離激元現(xiàn)象最早于１７０４年由牛頓觀測(cè)到，那時(shí)表面等離激元的概念逡逑還未被提出［６３］。十九世紀(jì)末期，Ｓｏｍｍｅｒｆｅｌｄ等人給出了沿著導(dǎo)體表面?zhèn)鞑サ碾婂义洗挪ǖ臄?shù)學(xué)表達(dá)式［６４，６５］。１９０２年，Ｒｏｂｅｒｔ．邋Ｗ．邋Ｗｏｏｄ發(fā)現(xiàn)利用一束橫向偏振的連逡逑續(xù)電磁波光束照向金屬光柵時(shí)，反射光譜中出現(xiàn)一個(gè)與經(jīng)典的物理學(xué)衍射完全逡逑不同的低反射谷，后來(lái)這一現(xiàn)象被稱(chēng)之為Ｗｏｏｄ異�，F(xiàn)象１９４１年，表面等逡逑離子體波的概念由Ｆａｎｏ首次提出［６７］。１９５７年，Ｄａｖｉｄ邋Ｐｉｎｅｓ提出表面等離激元逡逑“ｐｌａｓｍｏｎ”這一概念，發(fā)現(xiàn)金屬內(nèi)電子在縱向集體振蕩時(shí)會(huì)出現(xiàn)能量損耗［？。逡逑１９５８年

數(shù)形式衰減的方式進(jìn)行傳輸。假如將中間的金屬夾層厚度設(shè)計(jì)得足夠小，在兩逡逑個(gè)分界面處的等離子波很容易發(fā)生相互間的耦合，出現(xiàn)兩種傳輸模式，一種稱(chēng)逡逑之為對(duì)稱(chēng)傳輸模式，另一種稱(chēng)之為反對(duì)稱(chēng)傳輸模式，其電場(chǎng)分布示意圖如圖１．２逡逑所示逡逑ｖ邐ｙ逡逑N邐？逡逑Ｉ邐）卜邐心－－？ａ％邋Ｒｅ｛￡；0？）！逡逑ｒ邋－逡逑圖１．２邋ＩＭＩ波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的對(duì)稱(chēng)模式和反對(duì)稱(chēng)模式。引用來(lái)自文獻(xiàn)逡逑由于在對(duì)稱(chēng)模式下兩個(gè)界面處電磁波幅度符號(hào)一樣，電磁波能量過(guò)多地集逡逑中在金屬夾層中間，因此產(chǎn)生較多的歐姆熱量，使得等離子波的傳輸距離受到逡逑限制。相比對(duì)稱(chēng)模式而言，由于界面上等離子波發(fā)生耦合，在反對(duì)稱(chēng)模式中，逡逑金屬中的電磁波振幅互為相反數(shù)，因此電磁波能量能夠相互抵消，從而使得產(chǎn)逡逑生的歐姆熱量大大地減少，電磁波的傳輸距離可以明顯增加。當(dāng)ＩＭＩ結(jié)構(gòu)波導(dǎo)逡逑中間的金屬夾層比較薄時(shí)，盡管其歐姆熱損耗減小，傳輸距離變長(zhǎng)，，但是由于逡逑在兩邊介質(zhì)層中傳播的電磁波分布較多，能量不能很好的集中，所以電磁波局逡逑域性會(huì)減小。逡逑ＭＩＭ波導(dǎo)逡逑和ＩＭＩ波導(dǎo)類(lèi)似
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TN252

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本文編號(hào)：2654320