基于金属/石墨烯限制的矩形半导体光学微腔的研究

摘要

光学微腔是一种将光波限制在微纳量级尺寸并形成谐振的光学微谐振腔，具有超低的阈值、极小的模式体积和高Q值等特性，在低阈值激光器、高性能光学滤波器、高灵敏度光学传感器以及非线性光学研究领域有着极高的学术科研价值和广阔的应用前景。本文利用理论分析和数值仿真的方法分别求解了空气、金属和石墨烯限制的半导体矩形微腔的模式特征，相关内容和创新点如下:
　　对于空气限制的二维半导体矩形微腔，本文首先从麦克斯韦方程组出发，基于三层平板波导理论，利用几何光学与波动光学相结合的方法，求解了腔内的模式指数以及谐振波长;然后利用FEM方法建模并对腔内的模式特性进行求解;最后对比这两种方法求得的结果，其相对误差在2％以内。
　　相较于空气限制的光学微腔，金属具有更强的限制性，从而使腔内的Q值更高。本文首次提出了利用双传输矩阵的理论方法求解矩形腔内TE和TM模式的谐振模式频率及Q值，同样利用FEM方法对此进行求解。对于TE模式的谐振波长这两种结果吻合的非常好，而TM模式波长由于金属的表面等离子极化偏振(SPP)模式的影响导致两种结果出现偏差。当腔内增益层面积和谐振波长固定不变时，利用这两种方法分别求解出腔内TE和TM模式阈值增益及Q值随着指数指数m的变化趋势。进一步利用数值仿真的方法求解了微腔四个角区变形对于腔内TE和TM两种模式的影响。最后再次利用这两种方法求解了金属限制的正方形微腔的腔内模式特性。
　　石墨烯与金属相比最显著的优势是通过外加偏压或化学掺杂能够调制石墨烯的表面电导率特性，这种可调谐的特性可以较为便捷的控制微腔及波导上的SPP波的传输特性。本文首次提出利用石墨烯来限制矩形和正方形半导体光学微腔的方式并利用FEM仿真方法对这两种微腔的腔内模式的谐振频率、Q值与石墨烯层上的化学电势这三者之间的关系进行了深入研究。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 光学微腔的分类及制备材料

1．3 光学微腔激光器的研究进展

1．4 本论文的结构安排

第二章 半导体矩形光学微腔模式特征

2．1 半导体矩形腔的电磁分析

2．1．1 光学微腔的基本参数

2．1．2 平板介质波导理论

2．1．3 微腔TE模式特征方程求解

2．1．4 微腔TM模式特征方程求解

2．1．5 腔内全反射条件限制

2．1．6 腔内谐振模式求解

2．2 FEM方法模拟仿真

2．2．1 构建几何模型

2．2．2 定义材料参数

2．2．3 设置物理场及边界条件

2．2．4 剖分网格

2．2．5 利用求解器运算

2．2．6 结果及后处理

2．3 理论分析与模拟仿真的比较

第三章 金属限制的矩形微腔模式特征

3．1 金属限制微腔模式特征的理论分析

3．1．1 腔内谐振波长理论分析

3．1．2 缓冲层厚度对模式波长的影响

3．1．3 腔内模式Q值理论求解

3．1．4 缓冲层厚度对模式Q值的影响

3．2 相同面积下腔内模式特征研究

3．2．1 腔内模式与Q值

3．2．2 腔内阈值增益

3．2．3 三维模场分布

3．2．4 变形腔的研究

3．3 金属限制的正方形微腔模式特征

第四章 石墨烯限制的矩形微腔模式特征

4．1 石墨烯的基本性质

4．1．1 石墨烯的结构

4．1．2 石墨烯的光学参数研究

4．1．3 SPP波在单层石墨烯上的传导

4．2 石墨烯的制备方法

4．2．1 微机械剥离法

4．2．2 外延生长法

4．2．3 化学气相沉积法

4．2．4 纵向切割碳纳米管法

4．2．5 氧化石墨烯还原法

4．3 石墨烯限制的光学微腔模式特征

4．3．1 石墨烯限制的矩形微腔的模式特征

4．3．2 化学电势对矩形腔模式Q值的影响

4．3．3 石墨烯限制的正方形微腔的模式特征

第五章 总结和展望

5．1 主要研究工作及结果

5．2 工作展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢