基于金属—电介质—金属夹层结构的混合等离激元光波转向聚焦器研究

发布时间：2020-10-08 19:34

　　 表面等离子体激元(SPPs)模式可将电磁能量传递至突破光学衍射极限的纳米尺度体积内,因此在纳米光子学领域引起了广泛的研究兴趣。然而,由于表面等离激元固有的偏振依赖性,利用TE偏振入射光激发表面等离激元是一个巨大的挑战。此外,由于贵金属固有的欧姆损耗限制了表面等离激元的传输距离,这使得等离激元纳米结构的集成应用遇到阻碍。本文提出并设计了一种基于金属-电介质-金属夹层结构的等离激元光波转向聚焦器。器件中以硅基波导作为载体的TE偏振光经过夹层结构的耦合实现了表面等离激元的定向激发,最终确保了高效率的光波垂直转向和高场强纳米聚焦。这项工作为集成化的多重纳米聚焦应用诸如芯片捕获、传感和等离激元功能性元件加工等开辟了新的途径。本文基于混合金属-电介质-金属夹层结构对硅基光子器件进行了理论研究,主要分为如下两大部分进行阐述:第一部分工作主要是提出、设计并研究了混合金属-电介质-金属夹层结构,具体内容有:1.利用有限元方法在全频率范围内分别对自由空间中单银带和由硅基衬底支撑的单银带进行模式分析,绘出并对比分析这两种不同情况下不同频段所对应的不同初级模式,同时阐明由硅基衬底介导耦合产生的新的单银带杂化模式。2.通过镜像电荷分布阐明由硅基衬底支撑的多银带之间产生的耦合作用,并辅之以超模分析,最终得出硅基衬底上多银带通过耦合产生的不同超模。3.为了增加硅基衬底上各个银带之间的耦合效率,在其顶部增加一层特定厚度的银板形成金属-电介质-金属夹层结构。基于耦合模理论计算最佳参数配置下该夹层结构的最小耦合长度以确保其实现最小尺寸下的集成化应用。最后通过对该夹层结构进行三维仿真模拟得出的电场分布图的分析,阐明该配置下表面等离子体激元的激发机制。第二部分工作主要是基于混合金属-电介质-金属夹层结构设计了一种等离激元光波转向聚焦器,并对该器件的整体耦合效率及聚焦性能进行了深入研究。具体内容有:1.通过引入侧向银锥结构,使得由混合金属-电介质-金属夹层结构激发出的表面等离子体激元沿着银锥边缘传播,并最终在锥尖处实现纳米聚焦。2.针对在整个耦合过程中出现的损耗模式和后向反射,引入时间平均坡印亭矢量计算不同参数配置下的器件的耦合效率。基于器件的高效率转向聚焦,通过一系列参数(绝热参数,群/相速度,场振幅增强因子以及模式宽度等)的引入,对器件的纳米聚焦性能进行综合评估。本文的主要创新点有:1.利用TE偏振光实现了芯片上的表面等离子体激元的高效率定向激发。提出混合金属-电介质-金属夹层结构克服了限制SPPs传输距离的贵金属欧姆损耗问题,最终实现了光波的高场强纳米聚焦。2.提出了针对芯片上单个/多个金属带模式耦合的一套完整的基底介导耦合分析理论。对于芯片上复杂结构的模式分析,首次提出采用整体分析与局部分析相结合的相辅相成的模式分析方法。
【学位单位】：南开大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O43;TB33
【部分图文】：

图 1.1 (a) 金属/介质界面的表面等离子体激元的共振耦合示意图。(b) 表面等离子体激元的色散关系曲线。(c) 金属/介质界面的表面等离子体激元在 z 方向的电场分布[9]。图 1.1(b) 显示了入射光和表面等离子体激元的色散曲线。由图可知，在任意频率处两条曲线均不存在交点，即表面等离子体激元的色散曲线始终处于入

图 1.2 激发表面等离子体激元的波矢补偿示意图。 分别通过 (a) 减小介质中 light line 斜率和 (b) 引入额外位移量的方式达到 SPPs 色散关系补偿的效果。棱镜耦合是表面等离子体激元光学激发最常用的方法[7,10,11]，其中，最著名的利用全反射原理激发表面等离子体激元的是 Kretschmann 和 Otto 模型[6,7]。如

表面等离子体激元还可以通过光波导中传导的光波来激发。这种方法如图1.3(d,e)所示，光以导模的形式在波导中传播，导模的电磁场主要集中在波导层中，同时一部分场以倏逝波的形式在围绕波导层的低折射率介质中传播。当光波进入含有金属层的波导区域时，倏逝波在金属层的外边界激发出表面等离子体激元。如式(1.13)所示 mode Re (1.13)当两个电磁波的传播常数相等时，导模和表面等离子体激元的耦合条件就满足了，式(1.13)中的 mode代表波导模式的传播常数。表面等离子体激元光激发的另一种方法是通过在金属表面刻上周期性分布的凹槽光栅。如图 1.3(f)所示，在这种方法中，光波从电介质入射到金属光栅上，如果平行于光栅表面的衍射光的动量等于表面等离子体的传播常数，则衍射光可以耦合到表面等离子体。如式(1.14)所示 d2 2n sin mRe (1.14)其中 m 是整数并且表示衍射级，Λ 是光栅周期[12]。通过改变刻槽的深度、槽与金属边缘距离、金属膜厚度和光栅周期等参量，可以调控表面等离子体激元的激发状态和效率。利用光栅可以实现光波到等离子体激元的耦合，反过来，光栅也可以起到解耦合的作用，即受调制产生的表面等离子体激元可以与光波发生耦合并产生辐射。除此之外，通过设计不同形状、方向和组合的栅结构也可以实现等离子体激元的干涉和纳米聚焦。值得一提的是，?

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本文编号：2832666