含光学Tamm态的表面等离激元波导器件的吸收特性研究

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作为重要的光信息载体,光学器件具有频率高,带宽大,损耗低等优势,这些特点使集成光路成为解决信息传输和储存和的理想器件。但是由于受到光的衍射极限的限制,传统光学器件无法达到亚波长尺寸。随着表面等离激元器件的出现,人们找到能够克服光的衍射极限的新技术,可以满足大规模集成光学电路的需要。表面等离激元是金属界面的自由电子与入射光波的相互作用,在界面形成的一种混合激发态。表面等离激元能够克服光的衍射极限,将电磁波局域在金属-电介质界面。基于表面等离激元设计的波导装置可达到亚波长尺寸,被看成是纳米集成光路最理想的信息载体。此外,光学Tamm态作为另一种界面电磁模式,具有强场局域的特点,被广泛应用于光子晶体结构中设计性能优越的光学器件。  本论文主要研究了表面等离激元金属-电介质-金属(Metal-dielectric-metal)波导吸收器件,主要工作包括如下方面:  (1)提出了含光学Tamm态的非线性表面等离激元波导单向吸收开关。通过在金属-电介质-金属波导中嵌入一维光子晶体和金属层产生光学Tamm态实现强吸收。表面等离激元波导中,可用表面阻抗匹配理论分析光学Tamm态的产生的频率。对于从正方向入射波,当光子晶体-金属的阻抗匹配时产生光学Tamm态,伴随电磁场的强局域,可以观察到对SPP波的强吸收;而对于反向入射的SPP波,由于不满足阻抗匹配条件,吸收相对较低。通过有限时域差分法和传输矩阵法研究了光子晶体的几何参数对吸收特性的影响。此外,可在波导系统中观察到由光学Tamm态与波导模式的干涉而产生的非线性Fano共振。改变泵浦光的强度时吸收对比度可达到43.5dB,可用作全光Fano吸收开关。通过在等离子体波导中引入多个光学Tamm态结构设计多通道吸收器。光学Tamm态耦合产生多个吸收峰,吸收峰频率可通过调节耦合强度来改变。  (2)提出了含有光子晶体异质结构的表面等离激元波导单向吸收器。通过在金属-电介质-金属波导中嵌入两个具有互相交叠的带隙范围的光子晶体结构,对满足表面阻抗匹配条件的SPP波由于激发光学Tamm态可实现完美吸收。所提出的吸收器对正反方向入射波展现出良好的单向吸收特性。改变光子晶体的几何参数、构成材料等可令对吸收峰波长的发生移动。同时我们还研究了关于光学Tamm态与空气腔谐振模式的耦合,提出了双通道等离子体波导吸收器结构。所提出的含光学Tamm态的表面等离激元波导将会在集成光路、传感器和太阳能转换等领域有潜在的应用。
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