基于F-P共振的超常透射机理研究及纳米光子学器件设计

摘要

近年来,纳米光子学的相关研究已经在通讯、信息技术、显微技术、照明以及传感技术等领域吸引了大量的研究兴趣。纳米光子学的其中一个研究方向是研究纳米尺度下不同材料体系的行为,从而在不同学科中于实现光子技术的新应用。在过去的几个世纪中,金属膜结构一直被当作光学反射器来使用;除了反射性质以外,具有负介电常数的金属同时具备类似于自由电子集体振荡的性质。金属的这一典型的特征导致了一系列奇特的光学性质,这些特性被统称为等离激元,并且已经发展成为光子学领域的一个重要分支学科,称作“等离激元光子学”。表面等离激元是指束缚在金属和介质界面上的电荷集体振荡,是由自由电荷与光发生强的相互作用而产生的电磁激子。表面等离激元发生在真空或者正介电常数材料与负介电常数材料(通常包括金属或者掺杂的电介质)的界面处。他们在表面增强拉曼光谱、金属光栅的反常衍射现象(Wood异常)以及其他一些现象中都起着重要作用。此外,表面等离激元共振现象还被生物学家用来研究配体与受体结合(例如酶与其表面配体的结合)的活动机理和动力学机制。近年来,表面等离激元同样可以用来控制材料的颜色。
　　表面等离激元是在金属与介质界面上传播的一种表面电磁模式,在界面两侧电场均呈指数形式衰减。表面等离激元(SPP)最吸引人的性质是它突破了传统光学衍射极限的限制。因此,表面等离激元被认为是克服光学衍射极限并在亚波长尺度下操纵电磁波最有希望的途径之一。自从 Ebbesen发现经过金属薄膜小孔的光学透射增强效应以来,人们投入了大量精力用于解释超常透射现象成因。
　　在本论文中,首先通过考虑单个亚波长狭缝结构,探索了表面等离激元和法布里-珀罗谐振模式在超透射现象中所起的作用,主要包括数值模拟和理论推导。数值模拟采用时域有限差分(FDTD)方法进行,而通过引入法布里-珀罗矩阵方法对透射共振进行了很好的解释。我们相信超透射是由表面等离激元和法布里-珀罗共振模式共同作用产生的。然而,在不同共振处两者的贡献程度不同。在特定共振处,两种因素的主次作用关系仍然不是很清楚。众所周知,系统的对称性可以造成系统状态的简并。因此,在单个亚波长狭缝结构中将不能区分由不同类型共振模式产生的共振峰。在这里,通过在金属薄膜中引入一 I型结构的狭缝来破坏系统的对称性,从而消除系统状态的简并。对应于法布里-珀罗共振的共振峰可以用法布里-珀罗矩阵方法确定,剩余的共振峰归结为表面等离激元共振模式。结果表明透射率曲线中的共振模式可以区分为类法布里-珀罗共振模式和类表面等离激元共振模式。
　　本文对带有埋入式纳米谐振腔的单个狭缝结构进行了深入的研究。结果表明,埋入式纳米微腔的引入产生了滤波作用,其共振波长可以通过改变电介质材料及其他结构参数来实现调制,这在光电子学器件中有着广泛的应用。与其他非对称狭缝一样,其透射特性可以用法布里-珀罗矩阵方法来描述,并且所得结果与FDTD模拟得到的结果符合的很好。滤波作用的物理机理主要是表面等离激元的激发和法布里-珀罗共振模式的存在。最后,我们证明了低折射率材料非常适合作为衬底使用。相信文中提出的结构将为纳米电子工业实现小型化提供有益的参考。
　　其次,考虑在双狭缝结构中引入法布里-珀罗谐振腔。由于 F-P腔的存在,可调谐的特定波长的光能够通过该结构。在单个或者两个狭缝邻近区域埋入纳米微腔,通过调节纳米微腔的相关结构参数,该结构能够捕获其中激发的特定波长的表面等离激元。对于这些波长,当狭缝间隔较远时,狭缝相互间是独立的。因此对于不同波长的入射光,其可以只通过左侧狭缝,或通过右侧狭缝,或者同时穿透两个狭缝。
　　对于光电子集成回路,在亚波长尺度上实现光束的传播与操控是一项至关重要的任务。其中,金属-电介质-金属(MDM)结构由于具有强的局域效应、低弯曲损耗和较为简单的制造工艺而引起了研究者的广泛关注。金属-电介质-金属结构作为一种等离激元带隙结构,具有在纳米尺度实现控制和操纵电磁波的潜能。迄今为止,已有多种基于金属-电介质-金属结构的新奇等离激元波导结构被提出,包括 U型结构,T型结构分束器和 Y型结构耦合器和分束器等。其中,光分束器的作用是将不同共振波长的光波分解到不同的信道中去,是纳米光子学集成回路中至关重要的一种器件。最简单的光分束器是T型结构分束器,通过T型结构的端口可以在整个频率范围内将光波能量分为两份。通过改变端口的宽度可以实现不同比例的能量分束。另一方面,利用表面等离激元环形共振腔和表面等离激元耦合器结构在理论和实验上可以实现了波长选择型分束器。然而,如何找到简单的结构来实现对不同波长光波的分束依然十分具有挑战性。在第六章中,我们提出了一种新型的 T型金属-电介质-金属分束器,并对该结构进行了研究分析。该分束器是通过在输出端口处埋入法布里-珀罗谐振腔结构来实现的。通过调节纳米微腔的结构参数可以实现对任意波长光波进行滤波。此外,利用法布里-珀罗谐振腔及有效折射率对该滤波器的物理机理进行很好的解释。其分束波长可以通过纳米微腔的法布里-珀罗共振条件计算得到。由于该滤波器具有尺寸较小及结构简单的特点,使得这一器件具有应用于纳米光子学集成回路中的潜力。
　　近年来,人们在波导的小型化及多功能化上投入了大量研究精力。例如,通过在两个波导间引入环形谐振腔,实现了一种具有波长选择能力的光上下话路滤波器。此外,在金属-介质-金属波导结构中引入一个存根结构,即有限长度的波导结构,可以构成一个亚微米尺度的波长选择型滤波器。在本文,在波导内部引入法布里-珀罗谐振腔及隙缝谐振腔,在微纳尺度下实现了一种新的滤波器,其滤波波长与法布里-珀罗谐振腔及隙缝谐振腔的结构参数相关。此外,之前提到的结构多数是单个波导或者多个互相不交叉的波导结构。对于包含多个波导的复杂系统,设计一种具有低交叉损耗、低串扰、尺寸较小的交叉接口是一个重要的任务。为了实现这一目标,研究者提出了基于微腔的交叉接口。但对于通常的四臂交叉接口,通过侧臂泄露的能量损失占输入能量的很大一部分。在本文中,通过将法布里-珀罗共振腔和槽型微腔结合起来,设计了一种新的基于微腔的新型交叉接口。通过应用两个对称的正交滤波器结构,提出了一种具有低串扰和紧凑结构的新型交叉接口。对共振波长对纳米微腔的结构参数的依赖关系进行了细致的分析和讨论。

目录

EXTRAORDINARY TRANSMISSION MECHANISM AND DESIGN OF NANOPHOTONIC DEVICES BASED ON FABRY-PEROT RESONANCE

基于F-P共振的超常透射机理研究及纳米光子学器件设计

Abstract

摘 要

Contents

目 录

Chapter 1 Introduction

1.1 Motivation

1.2 Surface Plasmon polaritons (SPPs)

1.3 Extraordinary Transmission (EOT)

1.4 The study contents and significance of this thesis

Chapter 2 Methodology

2.1 Introduction

2.2 Finite difference-time domain (FDTD) approach

2.3 Absorbing boundary condition

2.4 Dispersive media

Chapter 3 Extraordinary transmission through a single nanoslit

3.1 Introduction

3.2 Previous study of extraordinary transmission through single nanoslit

3.3 Employing FP matrix method to study EOT

3.4 Summary

Chapter 4 Extraordinary transmission through modified slits

4.1 Introduction

4.2 Previously studied modified slits

4.3 Extraordinary transmission in microcavity based modified slits

4.4 Summary

Chapter 5 FP resonance in a thin metal film and double slit structure

5.1 Introduction

5.2 Extraordinary transmission of a slit in thin metallic film

5.3 Extraordinary transmission of a double slit

5.4 Summary

Chapter 6 Light manipulation in plasmonic devices by employing FP cavity

6.1 Introduction

6.2 Light propagation through a T-shape waveguide

6.3 Filtering nature of FP-cavity based waveguides

6.4 Summary

Conclusion

Reference

Papers published in the period of Ph.D education

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

Aknowledgement

VITA