【摘要】：微納光子學(xué)作為一門新興科學(xué),為未來集成化、小型化光器件及其組成系統(tǒng)的發(fā)展提供了新的指引方向。表面等離激元作為其研究領(lǐng)域的重要分支,在微納光器件、能源利用、生物傳感等領(lǐng)域均有重要的應(yīng)用價(jià)值。石墨烯是一種具有良好電學(xué)、光學(xué)特性的二維材料,其支持的石墨烯表面等離激元具備優(yōu)異的可調(diào)諧性、強(qiáng)大的場(chǎng)束縛能力以及較低的傳輸損耗。而六方氮化硼作為一種雙曲色散特性的天然材料,其支持的聲子極化激元更是具備比石墨烯更低的傳輸損耗特性。本論文的研究?jī)?nèi)容主要是利用石墨烯、六方氮化硼等材料結(jié)合金屬光柵、硅光柵等結(jié)構(gòu)提出了多種可調(diào)諧光器件、折射率傳感器,并針對(duì)基于這些混合結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)進(jìn)行傳輸特性分析及場(chǎng)束縛能力的研究。本論文主要的研究成果如下:(1)提出了一種基于金屬銀光柵-石墨烯-間隔層-金屬銀混合結(jié)構(gòu)的中紅外可調(diào)諧吸收器。通過調(diào)節(jié)金屬銀-空氣光柵結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和石墨烯費(fèi)米能級(jí),吸收峰的吸收率可以達(dá)到99.9%以上。將上述金屬銀-空氣光柵中空氣部分替換為折射率傳感媒介,進(jìn)一步提出一種靈敏度為2.3微米每折射率單位的中紅外折射率傳感器。(2)提出了一種基于石墨烯-間隔層-硅光柵混合結(jié)構(gòu)的中紅外可調(diào)諧窄帶表面等離子體誘導(dǎo)透明(PIT)及慢光效應(yīng)。通過調(diào)控硅光柵、間隔層和石墨烯的相關(guān)參數(shù),PIT波峰的品質(zhì)因數(shù)可以超過108,整個(gè)PIT窗口內(nèi)的群時(shí)延能大于0.44 ps。進(jìn)一步提出一種基于石墨烯-漸變周期硅光柵結(jié)構(gòu)的慢光器件,其光捕獲帶寬可以達(dá)到約0.7微米。(3)提出了一種基于六方氮化硼(h-BN)-石墨烯-二氧化硅光柵結(jié)構(gòu)的PIT系統(tǒng)。通過調(diào)節(jié)該結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和石墨烯化學(xué)勢(shì),在reststrahlen(RS)高頻波段內(nèi)和RS波段外都能實(shí)現(xiàn)PIT效應(yīng)。并且在RS高頻波段內(nèi)PIT窗口的群時(shí)延大于0.15 ps。進(jìn)一步提出一種基于上述基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的折射率傳感器,其在RS波段之外的靈敏度為0.336微米每折射率單位。(4)提出了一種基于石墨烯包覆h-BN納米線對(duì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)可以分別支持表面等離激元-聲子極化混合模式和聲子極化模式。研究結(jié)果表明表面等離激元-聲子極化混合模式的最低階模式具有比其他同類型模式更強(qiáng)大的場(chǎng)束縛能力和更低的傳輸損耗特性。通過調(diào)節(jié)襯底半徑或者石墨烯費(fèi)米能級(jí),都能實(shí)現(xiàn)這種混合模式的最低階模式超過105的場(chǎng)加強(qiáng)。(5)研究了石墨烯-h-BN三明治型圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。針對(duì)該結(jié)構(gòu)中包含h-BN這種各向異性介電常數(shù)的材料,從麥克斯韋方程組出發(fā)推導(dǎo)出該材料區(qū)域橫磁模式的電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量之間的關(guān)系式。并且結(jié)合邊界條件,進(jìn)一步推導(dǎo)出該多層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)支持橫磁模式的特征方程。(6)針對(duì)石墨烯-h-BN三明治型圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu),研究了它的幾何參數(shù)和石墨烯化學(xué)勢(shì)分別與其支持的聲子極化-聲學(xué)表面等離激元混合模式和聲子極化-光學(xué)表面等離激元混合模式的有效模式折射率實(shí)部和優(yōu)良指數(shù)(FOM)之間的依賴關(guān)系。并分析了表面等離激元和聲子極化激元的耦合對(duì)這兩種混合模式色散特性的影響。通過調(diào)控石墨烯化學(xué)勢(shì),聲子極化-聲學(xué)表面等離激元混合模式的FOM可以超過180。
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN252
【圖文】：

在６５邋ＧＨｚ以上，整個(gè)器件長(zhǎng)度只有２９微米，其示意圖和部分結(jié)構(gòu)ＳＥＭ圖像如圖逡逑ｌ－２（ｅ）－（ｆ）所示［２９］。而瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Ｃ．Ｈａｆｆｉｉｅｒ等人則提出了一個(gè)微逡逑米尺寸的全表面等離子體的馬赫增德爾調(diào)制器，其調(diào)制器部分ＳＥＭ圖像如圖１－２邋（ｇ）逡逑所示［３（）］。此外，朝鮮的Ｋｉｍ邋ＩＩ邋Ｓｕｎｇ邋Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ和武漢大學(xué)的Ｓ．－Ｊ．邋Ｉｍ等人提出了一逡逑種基于ＭＩＭ結(jié)構(gòu)耦合ＩｎＧａＡｓＰ長(zhǎng)方形諧振腔的相位調(diào)制器，其每比特的能耗理想逡逑情況下低至１０ｆＪ／ｂｉｔ量級(jí)［３１］。逡逑不僅如此，損耗特性和消光比的優(yōu)化同樣有助于增加表面等離激元調(diào)制器的逡逑實(shí)用性。此外，探測(cè)靈敏度對(duì)于光電探測(cè)器性能的考量也十分關(guān)鍵。瑞士蘇黎世逡逑聯(lián)邦理工學(xué)院的Ｃ．邋Ｈａｆｆｉｉｅｒ提出了低損耗的基于表面等離子體激元的電光調(diào)制器，逡逑其部分結(jié)構(gòu)ＳＥＭ圖像及高速數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)示意圖如圖ｌ－３（ｅ）－（ｇ）所示［３２］。日本東京大逡逑學(xué)的Ｊ．邋Ｋ．邋Ｃｌａｒｋ等人報(bào)道了一種基于二氧化釩（Ｖ0２）邋／金屬Ａｕ的波導(dǎo)調(diào)制器，其逡逑三維波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖如圖１－３邋（１）所示，其長(zhǎng)度僅有５５０邋ｎｍ，消光比是２６．８５邋ｄＢ每微逡逑米［３３］。來自俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院的Ａ．邋Ｉ．邋Ｙａｋｍｉｏｖ等人提出了一種基于二維逡逑金屬薄片陣列和鍺硅材料的中紅外光電探測(cè)器

邋（ｇ）逡逑■ｓ＿｜｜逡逑圖１－２多種基于金屬等離激元的調(diào)制器、微納光器件、光傳感器及吸收器。（ａ）－（ｂ）全光型邏逡逑輯二進(jìn)制編碼器示意圖和ＳＥＭ圖像１３＼邋（ｃ）－（ｄ）片上集成型的多通道濾波器示意圖和ＳＥＭ圖逡逑像［圳；（ｅ）－（ｆ）基于金屬Ａｕ和聚合物及硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的相位調(diào)制器示意圖和ＳＥＭ圖像１別；（ｇ）全逡逑表面等離子體的馬赫增德爾調(diào)制器ＳＥＭ圖像［別；（ｈ）基于金屬Ａｇ包覆傾斜光纖光柵的尿蛋逡逑白檢測(cè)醫(yī)學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖和樣品測(cè)試圖［３７】；（0－⑴用于太陽能轉(zhuǎn)換的可調(diào)諧帶寬表面等離逡逑子體吸收器部分ＳＥＭ圖像ｔ３８］。本圖所有圖片均來自上述參考文獻(xiàn)。逡逑Ｆｉｇ．邋１－２．邋Ｖａｒｉｏｕｓ邋ｍｅｔａｌ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ｐｌａｓｍｏｎ邋ｐｏｌａｒｉｔｏｎ－ｂａｓｅｄ邋ｍｏｄｕｌａｔｏｒ，邋ｍｉｃｒｏ－ｎａｎｏ邋ｏｐｔｉｃａｌ邋ｄｅｖｉｃｅｓ，逡逑ｏｐｔｉｃａｌ邋ｓｅｎｓｏｒ邋ａｎｄ邋ａｂｓｏｒｂｅｒ．⑶－（ｂ）邋ｔｈｅ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ａｎｄ邋ＳＥＭ邋ｉｍａｇｅ邋ｆｏｒ邋ｔｈｅ邋ａｌｌ－ｏｐｔｉｃａｌ邋ｌｏｇｉｃ邋ｂｉｎａｒｙ逡逑ｅｎｃｏｄｅｒ１３５１，邋（ｃ）－（ｄ）邋ｔｈｅ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ａｎｄ邋ＳＥＭ邋ｉｍａｇｅ邋ｆｏｒ邋ｔｈｅ邋ｏｎ－ｃｈｉｐ邋ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ邋ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌ邋ｆｉｌｔｅｒｆ３６＾逡逑（ｅ）－（ｆ）邋ｔｈｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ａｎｄ邋ＳＥＭ邋ｉｍａｇｅ邋ｆｏｒ邋ｔｈｅ邋ｐｈａｓｅ邋ｍｏｄｕｌａｔｏｒ１２９１，邋（ｇ）邋ｔｈｅ邋ＳＥＭ邋ｉｍａｇｅ邋ｆｏｒ邋ｔｈｅ逡逑Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ邋ｍｏｄｕｌａｔｏｒ１３０１

可以在特定波段支持ＴＥ模式傳輸、強(qiáng)大的場(chǎng)束縛能力以及低損耗特性。而石墨烯逡逑作為一種性能極好的二維材料，其出現(xiàn)的形態(tài)主要有石墨烯薄片、石墨烯納米線逡逑等等，結(jié)合多種諧振腔結(jié)構(gòu)，使得基于石墨烯的混合結(jié)構(gòu)層出不窮。圖１－４列舉出逡逑了幾種較為普遍的石墨烯波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖，諸如石墨烯包覆介質(zhì)納米線［６１］、位于逡逑襯底上的石墨烯薄片［６２］、基于石墨烯環(huán)的光學(xué)天線［６３］、基于石墨烯帶狀的表面等逡逑離子體共振［６４］以及基于石墨烯裂環(huán)的光吸收［６５］。當(dāng)然了，一般位于襯底上的石墨逡逑烯薄片或是石墨烯帶，又能通過工藝技術(shù)呈現(xiàn)不同的形態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)不同的光器逡逑件功能，圖１－５列舉了三種不同形態(tài)石墨烯薄片的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖，諸如基于Ｈ逡逑型石墨烯薄片的中紅外吸收器［６６＼基于Ｔ型石墨烯薄片的太赫茲器件Ｍｌ和基于Ｌ逡逑型石墨烯薄片的偏振轉(zhuǎn)換器［６８］。逡逑（ｃ）邐（ｄ）邐（ｅ＞逡逑ｍｏｄｅ邋Ａ，邐ｍｏｄｅ邋Ｂ邐＾逡逑◎◎歡■~?、逡逑ＥＦ＝０邋６ｅＶ逡逑圖１－４多種石墨烯波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖。（ａ）石墨烯包覆介質(zhì)納米線示意圖（ｂ）石墨烯薄片示逡逑意圖Ｉ６２』；（ｃ）石墨烯環(huán)狀結(jié)構(gòu)（ｄ）石墨烯帶狀結(jié)構(gòu)Ｉ６４』；（ｅ）石墨烯裂環(huán)結(jié)構(gòu)〖６５』。逡逑Ｆｉｇ．邋１－４．邋Ｔｌｉｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｆｏｒ邋ｓｏｍｅ邋ｋｉｎｄｓ邋ｏｆ邋ｇｒａｐｈｅｎｅ邋ｗａｖｅｇｕｉｄｅ，邋（ａ）邋ｔｈｅ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｔｈｅ逡逑ｇｒａｐｈｅｎｅ－ｃｏａｔｅｄ邋ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｎａｎｏｗｉｒｅ＾６１ｌ邋（ｂ）邋ｔｈｅ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｇｒａｐｈｅｎｅ

【參考文獻(xiàn)】

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1 徐曜;全光網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵器件與少模光纖的研究[D];北京交通大學(xué);2018年

2 楊宇光;全光交換關(guān)鍵器件和光纖傳感器的研究[D];北京交通大學(xué);2018年

3 姜有超;特種光纖及光纖中渦旋光的研究[D];北京交通大學(xué);2018年

4 朱博楓;基于石墨烯等離激元及六方氮化硼的微納光器件的研究[D];北京交通大學(xué);2017年

5 高一曉;非線性可調(diào)諧表面等離激元器件的研究[D];北京交通大學(xué);2017年

6 莊華偉;太赫茲及中紅外頻段石墨烯表面等離激元器件的研究[D];山東大學(xué);2015年

本文編號(hào)：2797655