【摘要】：表面等離子體激元(SPP)能夠突破衍射極限,實現(xiàn)對電磁波在亞波長尺度內(nèi)的局域特性,將光子器件的尺寸壓縮到納米量級。混合等離子體波導(dǎo)可以看作是介質(zhì)光纖波導(dǎo)和SPP波導(dǎo)的結(jié)合,這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有很強的模式局域能力和較低的傳輸損耗。混合等離子體波導(dǎo)為發(fā)展太赫茲到中紅外波段的高性能、高集成度的SPP波導(dǎo)提供了新思路。電磁超材料是一種由亞波長單元結(jié)構(gòu)構(gòu)成的新型人工電磁材料,它具有自然材料所不具備的超常電磁特性。將局域表面等離子體激元與新型人工電磁超材料結(jié)構(gòu)相結(jié)合的電磁器件應(yīng)用涉及到光學(xué)天線、濾波器、探測器、調(diào)制器、光學(xué)透鏡、熱成像、太陽能電池、吸波材料、隱身斗篷等多個重要研究領(lǐng)域。傳統(tǒng)基于金屬SPP的波導(dǎo)器件利用結(jié)構(gòu)變化的方法來調(diào)節(jié)波導(dǎo)的傳輸特性,不利于靈活實時調(diào)控。為了解決這一問題,人們將可以實現(xiàn)動態(tài)控制的一些材料,如液晶、液態(tài)金屬、半導(dǎo)體等加入到SPP波導(dǎo)器件中,然而這些材料構(gòu)成的可調(diào)諧器件通常不易于集成。近年來,石墨烯因其獨特的電化學(xué)性質(zhì)如高電子遷移率、靈活可調(diào)諧性、低損耗特性和強局域性等,成為各國科研工作人員關(guān)注的焦點。石墨烯表面等離子體激元工作在太赫茲和到中紅外頻段時,具有非常強的模式約束能力和較小的損耗,能夠把工作在幾十微米波長的波導(dǎo)器件縮小到半個微米尺度,通過調(diào)節(jié)外加電壓或者化學(xué)摻雜,可以實現(xiàn)波導(dǎo)器件的電調(diào)諧,對太赫茲和紅外波段可調(diào)諧型波導(dǎo)器件的小型化集成具有重要意義。正是基于以上考慮,本文通過將半導(dǎo)體、石墨烯、新型人工電磁超材料與表面等離子體激元相結(jié)合,取得了以下研究結(jié)果。1.本文提出了一種基于“不平坦”半導(dǎo)體基底的、具有高度模式局域性的混合等離子體波導(dǎo),該波導(dǎo)可以看做是介質(zhì)光纖波導(dǎo)和等離子體波導(dǎo)的結(jié)合。在太赫茲和中紅外等低頻段,光滑金屬表面對SPP的局域性很弱,使得這種結(jié)構(gòu)不適合在應(yīng)用系統(tǒng)中緊湊的集成。為了解決這一問題,本文采用等離子體頻率在太赫茲波段的半導(dǎo)體材料InSb代替?zhèn)鹘y(tǒng)貴金屬,通過分析和嘗試多種混合SPP波導(dǎo)的傳輸特性如等效模場面積、傳播長度、品質(zhì)因數(shù)、能量分布情況等,最終提出一種基于“不平坦”基底的混合SPP波導(dǎo),實現(xiàn)了工作在1THz的具有低損耗、高局域性的混合等離子體波導(dǎo),最小等效模式面積可達(dá)衍射極限模式面積的1/2000。此外還探索了利用增益材料實現(xiàn)無損傳輸?shù)目尚行詶l件。2.本文提出了一種低串?dāng)_傳輸?shù)目烧{(diào)型雙介質(zhì)脊加載石墨烯混合等離子體波導(dǎo)。由Kubo公式出發(fā),詳細(xì)分析了石墨烯工作于3THz到300THz時表現(xiàn)出的不同材料特性。將石墨烯材料引入到介質(zhì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中代替?zhèn)鹘y(tǒng)的貴金屬材料構(gòu)成混合等離子體波導(dǎo),石墨烯SPP相比于SPP在貴金屬表面的傳輸具有更好的模式約束性。通過對多種不同結(jié)構(gòu)的石墨烯加載混合SPP波導(dǎo)傳輸特性的對比研究,最終提出了一種對稱雙介質(zhì)脊加載石墨烯混合SPP波導(dǎo)結(jié)構(gòu),該波導(dǎo)工作于中紅外波段,表現(xiàn)出良好的模式約束性,兩相鄰波導(dǎo)實現(xiàn)低串?dāng)_傳輸?shù)淖钚【嚯x為120nm,可以滿足元器件高度密集的集成電路的需求。另外,研究了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)加工可能出現(xiàn)的形變?nèi)珉p脊不對稱、長方形脊形變?yōu)樘菪巍㈤L方形脊的尖角變圓角等情況,結(jié)果顯示該波導(dǎo)具有較高的加工誤差容限。通過改變石墨烯的外加電壓或者化學(xué)摻雜,可以實現(xiàn)對波導(dǎo)傳輸模式特性的靈活調(diào)節(jié)。3.針對目前超材料濾波器存在的調(diào)制深度不夠,結(jié)構(gòu)復(fù)雜不易于靈活設(shè)計,不能實時調(diào)諧等問題,充分利用局域型SPP特性,提出了一種工作于中紅外波段的、基于金屬-石墨烯超材料結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧型雙阻帶濾波器�；凇懊髂！焙汀懊髂！敝g的耦合作用,通過簡單增減周期單元中刻蝕金屬臂數(shù)量即可以調(diào)整帶阻濾波器阻帶個數(shù),雙阻帶濾波器的調(diào)制深度可達(dá)-23.26dB。通過調(diào)整臂長和石墨烯層外加電壓,可以改變結(jié)構(gòu)的諧振頻率,從而調(diào)節(jié)濾波器的工作頻帶。進(jìn)一步優(yōu)化石墨烯的載流子濃度,可獲得一個非常深的調(diào)制深度。該金屬-石墨烯周期性結(jié)構(gòu)對周圍環(huán)境介電常數(shù)變化的靈敏度高達(dá)2393nm/RIU,可用折射率傳感器,最后,提出了發(fā)展多阻帶濾波器等多頻譜器件的思路。4.設(shè)計了一種基于多層金屬-石墨烯超材料的動態(tài)獨立可調(diào)型吸波器,實現(xiàn)了吸波器在中紅外波段的多頻帶獨立調(diào)諧和超寬帶的吸收特性。通過對多層金屬-石墨烯超材結(jié)構(gòu)的層數(shù)、單元結(jié)構(gòu)個數(shù)的調(diào)整,可以實現(xiàn)多頻、寬頻吸波器的任意定制。調(diào)整每層金屬-石墨烯超材料中石墨烯所加載的門電壓,可以實現(xiàn)對多個吸收頻帶的動態(tài)獨立調(diào)諧。研究發(fā)現(xiàn),該結(jié)構(gòu)非常適合制作實現(xiàn)超寬帶吸波器。通過疊加雙層并聯(lián)排列的金屬-石墨烯超材料結(jié)構(gòu),可獲得一個吸收率超過80%的7.5THz的寬帶吸收,在該吸收寬帶范圍內(nèi)的平均吸收峰值為88.5%。進(jìn)一步堆疊超材料層數(shù)為三層超材料時,在27.5THz到38.4THz頻帶范圍內(nèi),吸收峰最小值為60%,平均峰值吸收率為84.7%。對于獲得結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計靈活、易于集成的微結(jié)構(gòu)器件提供了新思路。
【圖文】：

圖 1-1 傳播型表面等離子體激元[3]es 等人[17]在Nature上發(fā)表文章，指出通過改變金的相互作用可以人為控制。2004 年，Pendry 等人金、鋁等良導(dǎo)體上可利用小于入射波長尺寸的、磁波。金屬表面的周期性人工微結(jié)構(gòu)能夠支持并波場與光波段光滑金屬表面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x子體期結(jié)構(gòu)表面的電磁模式又被稱為仿表面等離子體大關(guān)注，并出現(xiàn)了一系列人工微結(jié)構(gòu)仿表面等離構(gòu)仿 SPP 波導(dǎo)傳輸模式的頻率與金屬材料的固有面人工微結(jié)構(gòu)的特征決定，因此，通過合理的結(jié)譜的表面波傳輸。

圖 1-1 傳播型表面等離子體激元[3]2003 年 Barnes 等人[17]在Nature上發(fā)表文章，指出通過改變金屬表面結(jié)構(gòu)，SPP、特別是其與光波的相互作用可以人為控制。2004 年，Pendry 等人[18]提出在 PEC 上或者貴金屬銀、金、鋁等良導(dǎo)體上可利用小于入射波長尺寸的、周期排列的穿透開孔得到表面電磁波。金屬表面的周期性人工微結(jié)構(gòu)能夠支持并約束表面電磁波傳輸，由于傳播波場與光波段光滑金屬表面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x子體波類似，因此這種存在于金屬周期結(jié)構(gòu)表面的電磁模式又被稱為仿表面等離子體波。該文一經(jīng)刊出后，引起了極大關(guān)注，并出現(xiàn)了一系列人工微結(jié)構(gòu)仿表面等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。由于該人工微結(jié)構(gòu)仿 SPP 波導(dǎo)傳輸模式的頻率與金屬材料的固有等離子體頻率無關(guān)，，僅由金屬表面人工微結(jié)構(gòu)的特征決定，因此，通過合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，可實現(xiàn)整個電磁波譜的表面波傳輸。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN15

【參考文獻(xiàn)】

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2 周俊;劉盛綱;;太赫茲生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的研究進(jìn)展[J];現(xiàn)代應(yīng)用物理;2014年02期

3 劉盛綱;;太赫茲科學(xué)技術(shù)的新發(fā)展[J];中國基礎(chǔ)科學(xué);2006年01期

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本文編號：2702255