有源长程表面等离子光波导器件研究

发布时间：2019-12-03 18:20

【摘要】：表面等离激元（Surface Plasmon Polariton, SPP）是一种沿金属与介质表面传播的横磁波，其场分布在以分界面为原点的相邻金属和介质中按指数形式衰减。表面等离子波能够突破衍射极限对光子的束缚，实现亚波长尺度的光子回路，在实现传统器件小型化和集成化方面具有广阔的研究前景，例如在生物传感器、纳米刻蚀、新型光源、超分辨成像、纳米集成光子器件、亚波长光学数据存储等方面都扮演着重要的角色。但由于SPP束缚性强，金属吸收产生的传输损耗较大，在一定程度上限制了其应用范围。为降低光传输损耗，本文利用聚甲基丙烯酸甲酯-甲基酸环氧丙酯（P(MMA-GMA））作为金属波导的上包层和下包层，采用光刻和碘化钾（KI）湿法腐蚀工艺，从以下几个方面展开研究：（1）表面等离子波的基本理论。学习并推导表面等离激元及其色散关系，采用二维模型导出表面等离子波及其衍生推论，针对三种激发SPP方式的优缺点，提出采用波导结构来激发SPP。（2）长程表面等离子（Long-Range Surface Plasmon Polariton, LRSPP）波导的制备。超声剥离法制备LRSPP会在波导表面存在鱼鳍状突起，不利于模场的控制，并会在一定程度上增加器件的传输损耗。创新性的利用光刻胶作为波导掩膜，采用湿法腐蚀工艺制备金属LRSPP波导，并采用原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）对波导表面的粗糙度、侧壁陡直度以及金波导的尺寸进行表征。结果表明，制备的器件形貌较好，可满足长程表面等离子波的传播条件。采用光纤端面耦合激发方式，实现1550nm近红外光与LRSPP波导的耦合，并获得了器件的远场输出光斑、传输损耗和开关响应时间等重要特性参数。实验结果表明利用该方法制备的LRSPP可实现在近红外波长下的低损耗光传输，可应用于光开关等不同种类的LRSPP波导器件。（3）Mach-Zehnder Interferometer结构LRSPP波导器件的制备及光传输性能的测试。对器件结构进行介绍并给出相应的工艺流程。在器件制备过程中，采用高密度感应耦合等离子体刻蚀机（ICP）刻蚀出电极结构，在测试器件性能时发现其对光场的限制较好，开关的上升和下降时间分别为150μs和268μs。（4）LRSPP-SU-8波导垂直耦合器件的制备和测试。利用LRSPP波导和紫外光刻胶SU-8波导的垂直结构，实现光场在两波导间的耦合传播。采用Comsol对波导的结构进行模拟和优化，在对器件形貌的表征中验证了实验工艺的有效性。当Au波导宽度为6μm，SU-8波导宽度为5μm，二者耦合区长度为2500μm时，无论光信号由Au波导或SU-8波导输入均可得到器件波导间耦合的光输出。
【图文】：

介电常数,复数折射率,外加电场,自由电子

金属内自由电子的介电常数为 2201 1pDii 分别表示为 2 2 2Re 1R p D 2 2 2ImI p D D 率：n n i ，则金属的复数折射率可写为 1 22 212R I Rn 1 22 212R I R

截面图,波导,截面,介电系数

第二章表面等离子波基本理论因此，可采用图 2.4 所示波导结构，它由厚度为 t，宽度为属条，及其包覆它的介电系数为 ε1的无限均匀介质构成，Drude 经典电子论，金属的复介电系数由等离子体频率色 2 2,22 2 2 21p prvjv v ，ωp为电子等离子体频率，，ν 为等效电子碰撞频率。当 ω长下情形) 时，金属介电系数实部 εr,2为负值，这意味着正的介质与金属界面之间。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN252

【参考文献】