本文關(guān)鍵詞：金屬人工結(jié)構(gòu)表面等離激元的傳輸性質(zhì)及應(yīng)用研究

  更多相關(guān)文章： 表面等離激元 量子阱探測器 耦合效率 分束器 定向集束

【摘要】：表面等離激元是光與金屬表面自由電子相互作用形成的耦合電磁模式。金屬表面等離激元具有表面?zhèn)鞑?近場局域等獨特的物理性質(zhì),它可以將光的能量限制在遠(yuǎn)小于衍射極限的尺度內(nèi)�；诮饘偃斯そY(jié)構(gòu)中表面等離激元的傳輸性質(zhì),可以開拓出極其廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。本論文在表面等離激元亞波長光學(xué)這一新興學(xué)科的背景下,在如下三方面開展了理論設(shè)計和數(shù)值模擬的工作。首先,我們開展了利用金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)量子阱探測器光耦合的研究。我們針對工作在4.3μm,激活區(qū)較厚的中紅外量子阱探測器設(shè)計了由頂層金屬薄膜和周期性金屬條或者金屬圓盤陣列組成的金屬復(fù)合結(jié)構(gòu),將其集成于量子阱探測器頂部。數(shù)值模擬結(jié)果表明,通過合理地選擇結(jié)構(gòu)參數(shù),可以使金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)中的表面等離激元共振發(fā)生在量子阱探測器的工作波長,在探測器的激活區(qū)內(nèi)產(chǎn)生平行于量子阱生長方向的增強(qiáng)電場,從而實現(xiàn)子帶間躍遷,提高量子阱探測器的光耦合效率。二維周期性結(jié)構(gòu)與一維周期性結(jié)構(gòu)相比,耦合效率更高,且對入射光的偏振狀態(tài)不具有選擇性。此外,我們還發(fā)現(xiàn),在去除襯底的情況下,基于空氣-介質(zhì)-金屬波導(dǎo)共振也能實現(xiàn)光耦合增強(qiáng)。采用這種光耦合方式,無需通過減薄上電極使激活區(qū)貼近金屬光柵,可以克服表面等離激元的近場效應(yīng)給實際器件制備工藝帶來的困難。然后,我們利用銀-空氣-銀波導(dǎo)對不同波長的光實現(xiàn)了分束傳播。我們針對光通信常用的兩個波長1310nm和1550nm設(shè)計了一種包含一個輸入通道和兩個輸出通道的分束器,通過在輸出通道旁引入耦合腔的方法來截止某一個波長的光通過,而使另一個波長的光以較高的透過率通過。輸出通道的截止波長僅取決于與之相連的耦合腔的尺寸。在采用T形耦合腔的情況下,輸出通道在通過波長處的透過率能夠接近90%。與此前報道的大量使用周期性金屬光柵的分束器相比,我們設(shè)計的分束器具有體積小,能量損耗低的優(yōu)點。最后,我們嘗試設(shè)計金屬人工結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)寬角度入射光的定向集束效應(yīng)。針對光在大角度入射情況下經(jīng)過含有結(jié)構(gòu)修飾的金屬薄膜后出射的能量將會嚴(yán)重衰減的缺點,我們使光從GaAs襯底背面入射,利用襯底的高折射率將入射角減小。在襯底上生長一層含有狹縫的金屬薄膜,然后在出射口兩側(cè)設(shè)計有限周期數(shù)的凹槽。通過優(yōu)化狹縫寬度和薄膜厚度可以使增強(qiáng)透射現(xiàn)象發(fā)生在我們希望的工作波長1.55μm處。通過仔細(xì)選取出射口兩側(cè)凹槽的結(jié)構(gòu)參數(shù),可以使表面等離激元波矢與周期性結(jié)構(gòu)提供的倒格矢匹配,使表面等離激元退激發(fā)為光,出射光束的能量集中在正向傳播的方向,且隨著角度的變大不發(fā)生大幅衰減,從而對于寬角度入射光實現(xiàn)了定向集束效應(yīng)。上述三方面工作獲得的結(jié)果能夠為后續(xù)相關(guān)器件的設(shè)計和制備,提供理論依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：表面等離激元 量子阱探測器 耦合效率 分束器 定向集束
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG111.1;O441
【目錄】：

• 致謝4-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 1 引言12-28
• 1.1 表面等離激元的研究歷史和現(xiàn)狀13-16
• 1.2 表面等離激元的基本性質(zhì)16-20
• 1.2.1 表面等離極化激元17-19
• 1.2.2 局域表面等離激元19-20
• 1.3 表面等離激元的應(yīng)用20-21
• 1.4 本論文的研究內(nèi)容21-23
• 參考文獻(xiàn)23-28
• 2 金屬人工結(jié)構(gòu)光學(xué)性質(zhì)的模擬方法28-46
• 2.1 自由電子氣的介電函數(shù)29-30
• 2.2 常用的模擬方法簡介30-31
• 2.3 電磁波時域有限差分法31-41
• 2.3.1 Maxwell方程的差分形式32-35
• 2.3.2 兩種材料分界面上介電常數(shù)的選取35-37
• 2.3.3 初始條件的確定37-38
• 2.3.4 數(shù)值穩(wěn)定性條件38-40
• 2.3.5 邊界條件40-41
• 2.4 本論文使用的軟件41-43
• 2.4.1 EastFDTD軟件41-42
• 2.4.2 FDTD Solutions軟件42-43
• 參考文獻(xiàn)43-46
• 3 利用金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)量子阱探測器的光耦合46-68
• 3.1 一維周期性金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)修飾量子阱探測器47-52
• 3.1.1 理論模型和計算方法47-49
• 3.1.2 模擬結(jié)果和討論49-52
• 3.2 基于空氣-介質(zhì)-金屬波導(dǎo)共振模式的量子阱探測器光耦合增強(qiáng)52-59
• 3.2.1 理論模型和計算方法52-53
• 3.2.2 模擬結(jié)果和討論53-57
• 3.2.3 空氣-介質(zhì)-金屬波導(dǎo)與金屬-介質(zhì)-金屬波導(dǎo)的比較57-59
• 3.3 二維周期性金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)修飾量子阱探測器59-65
• 3.3.1 理論模型和計算方法60
• 3.3.2 模擬結(jié)果和討論60-65
• 3.4 本章總結(jié)65-66
• 參考文獻(xiàn)66-68
• 4 光在金屬-空氣-金屬波導(dǎo)中的分束68-80
• 4.1 矩形耦合腔的分束作用69-75
• 4.1.1 理論模型和計算方法69-72
• 4.1.2 模擬結(jié)果和討論72-75
• 4.2 T形耦合腔的分束作用75-77
• 4.3 本章總結(jié)77-80
• 5 基于金屬人工結(jié)構(gòu)實現(xiàn)寬角度入射光的定向集束80-90
• 5.1 采用含有狹縫和凹槽的金薄膜實現(xiàn)定向集束81-84
• 5.1.1 理論模型和計算方法81-82
• 5.1.2 模擬結(jié)果和討論82-84
• 5.2 寬角度入射光的定向集束84-87
• 5.2.1 理論模型和計算方法84-85
• 5.2.2 模擬結(jié)果和討論85-87
• 5.3 本章總結(jié)87-89
• 參考文獻(xiàn)89-90
• 6 總結(jié)與展望90-92
• 作者簡介及在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果92-93

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本文編號：765020