论文部分内容阅读
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 Plasmon Polaritons,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0.0083μm3和1.6×104μm-3。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。