表面等离子体激元共振腔性质及全光调控研究

摘要

如何获得突破衍射极限的光波导及光调制器，是实现纳米全光集成的基础，也是纳米光子学领域的一大研究热点。表面等离子体激元（Surface PlasmonPolaritons，SPP）共振腔把SPP和共振腔特点结合起来，可以实现高Q值、小模体积的微型SPP 共振腔。SPP全光调控利用SPP局域场增强特性可以实现高灵敏、低阈值、高速的SPP全光开关。SPP共振腔和SPP 全光调制器在纳米光子器件、纳米集成光路及微纳传感等领域具有潜在的应用前景。本论文主要从理论和实验上研究了表面等离子体激元共振腔以及SPP全光调控的物理机制和应用。
　　 主要的研究工作和成果如下：
　　 1．利用波导理论分析了金属-介质-金属（metal-dielectric-metal，M-D-M）狭缝结构的色散关系、以及模式特点与介质层厚度的关系。分析表明：结构中两个最低阶TM模式分别对应对称的SPP（0）模式和反对称的SPP（1）模式；SPP（0）模式没有截止厚度，而SPP（1）不仅有截止厚度，且存在一个临界厚度。
　　 提出构造结构调制位相可有效调控SPP，为通过非线形光学材料复合特定金属微纳结构实现对SPP的全光动态调控提供了基础。引入光学非线性，给出了金属-非线性光学介质-金属（metal-nonlinear dielectric-metal，M-NLD-M）结构的色散关系，研究了结构中对称模式SPP（0）和反对称模式SPP（1）传播常数与光强的关系，并利用入射光强调控两个模式传播常数差，实现了出射通道的切换。
　　 理论分析了M-NLD-M 狭缝阵列结构的光分束物理机制，设计了SPP分束器，基于法布里-珀罗（Fabry-Perot，F-P）腔共振和三阶非线性光学效应，通过改变入射光强度调控各狭缝单元间的位相差，实现了分束角的动态调控。
　　 2．利用边界积分方法研究了SPP 在凹、凸金属-介质界面的色散关系、模式特性、相速度和传播损耗。研究表明：凹面上传播的SPP 相速度大于平面上传播的SPP，而凸面上传播的SPP 相速度小于平面上传播的SPP；由于界面的弯曲，曲面结构的SPP 损耗比平面结构的损耗大，研究结果对设计SPP 共振腔结构器件具有很好的指导意义。通过理论分析研究了提高SPP 共振腔消光比的方法，并由此设计了具有高消光比的跑道形SPP 共振腔，分析了结构参数对于临界耦合点的影响，选择合适的结构参数使其在1.55μm波长处达到临界耦合共振，消光比为-34.5dB。此结果对纳米集成及其传感、调制应用具有重要意义。运用时间域的耦合模方程和非线性微扰理论分析了跑道形SPP 共振腔的非线性光学双稳特性，并由此设计了高对比度的跑道形SPP 开关，泵浦光峰值光强为1.748MW/cm2 时，其开关时间为0.38ps，消光比为97.8％，这为微型、快速、低阈值和高开关比的SPP 全光调控器件的实现提供了必要的研究基础。
　　 3．利用有限元方法分析了银纳米线三种构型结构的SPP模式特点、Q 因子及有效模体积Veff。基于以上研究，设计了高Q值、超小模体积的银纳米环-介质-银膜SPP-Gap 共振腔结构。研究分析了结构中腔模式（Gap mode）的场分布特点、Q 因子及有效模体积与结构参数之间的关系，并优化结构参数，Veff和Q/Veff分别达到0.0083 3 m μ和1.6×104 3 m μ?。该研究有利于发展芯片集成的新型SPP 传感、有源纳光子器件及其集成技术。
　　 4．理论分析了SPP 在各向异性单轴晶体-金属界面的色散关系和传播特性，研究表明：各向异性单轴晶体-金属界面的SPP 性质和晶体光轴的取向有着很大的关系，光轴在垂直界面（XZ 平面）中取向时，其对SPP 性质的影响比在界面（XY 平面）中取向影响大。并设计了实验方案，实验验证了理论分析结果。利用Krestschmann-Raether 结构研究了棱镜-银膜-偶氮聚合物的SPP 全光调制，选择合适偏振的光泵浦方式，得到了47.74％的对比度。该结果对各向异性晶体-金属界面SPP 物理性质研究及其全光调控具有重要意义。
　　 本论文创新点和特色：
　　 1.提出通过增加耦合长度来提高SPP 共振腔的消光比。基于此，设计了高消光比的跑道形SPP 共振腔，其消光比可以达到-34.5dB。运用时间域的耦合模方程和非线性微扰理论分析了跑道形SPP 微腔的非线性光学双稳特性，并由此设计了高对比度的跑道形SPP 开关，峰值光强为1.748MW/cm2 时，其开关时间为0.38ps，开关比为97.8％。
　　 2.基于SPP模式分布特点，提出了银纳米环-介质-银膜结构SPP-Gap 共振腔，有效地提高了Q值、减小了模体积；研究分析、优化参数后，Veff和Q/Veff分别达0.0083μm3和1.6×104μm-3。
　　 3.针对各向异性晶体之界面SPP 物理及全光调控，理论分析了SPP 在各向异性单轴晶体-金属界面的色散关系、传播特性，并设计了实验方案，实验验证了理论分析结果。基于此研究，利用棱镜-银膜-偶氮聚合结构实现了高对比度的SPP全光调制。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

第二章金属-电介质-金属狭缝腔模及非线性调控研究

第三章二维SPP闭腔结构腔模特性及其双稳开关研究

第四章银纳米线及银纳米环SPP共振腔特性分析

第五章各向异性材料-金属界面的SPP特性及其全光调制研究

第六章论文总结与展望

在读期间发表的学术论文

致谢