周期性亚波长金属石墨烯可调光电器件及高对比度光栅光学求导器研究

发布时间：2020-05-05 00:06

【摘要】：基于金属、石墨烯以及电介质等材料的周期性亚波长结构的光子学器件由于在集成光学领域的应用潜力引起了学术界的关注。利用不同形状的周期性结构,可在亚波长尺度上实现对入射光振幅、相位以及散射模式的调制。本文研究了金属石墨烯纳米结构以及高对比度光栅的光学特性,并提出了偏振无关的表面等离子体波诱导透明超表面、动态可调的双金属纳米线天线以及基于高对比度亚波长光栅的光学求导器。主要内容如下:基于金属-石墨烯耦合结构,提出了一种偏振无关的主动可调的表面等离子体波诱导透明超表面器件。超表面由尺寸不同的旋转对称的c-SRRs纳米金属结构阵列置于石墨烯梳上构成。采用了有限时域差分方法模拟研究了超表面在入射光下的共振模式和透射光谱,并采用耦合洛伦兹振子模型解释了诱导透明效应的物理机制。超表面利用两种不同尺寸的金属结构阵列,实现了双通道的诱导透明效应,且诱导透明效应可通过梳状的石墨烯层分别主动调制。该超表面的单元结构具有旋转对称性,使其对入射光场的各个偏振方向具有相同的光学响应,减少了器件的偏振损耗。提出基于双金属纳米线与石墨烯耦合结构的可调表面等离子体波纳米天线。纳米天线由相同的双纳米金属纳米线置于分离的石墨烯层上构成。双金属纳米线天线的单方向散射特性可类比为两个相干点光源的相互干涉,其散射场在一方向干涉增强,而在反方向干涉相消。采用有限时域差分方法模拟研究了金属纳米线的共振模式和天线在入射光下的空间三维散射场分布。通过石墨烯层的费米能主动调控金属纳米线的共振模式,打破纳米天线的对称性,由金属纳米线共振模式之间的干涉产生了单方向侧向散射现象,而且其散射方向可通过调节石墨烯费米能进行左右切换。该可调的纳米天线提供了有效的方法进行光束散射控制,能够广泛应用于集成光路和光通信领域。提出基于亚波长的高对比度硅光栅的光学求导器。将亚波长光栅看作周期性波导,理论推导了光栅的空间频谱传递函数,满足对入射光场空间分布的一维求导条件。基于有限时域差分方法,模拟了不同尺寸的高对比度光栅的求导性能,分析光栅求导器对结构尺寸的容差。采用多靶磁控溅射在石英玻璃基底上沉积了硅薄膜,结合电子束曝光和深硅刻蚀技术,加工了纳米级厚度的亚波长高对比度光栅。通过CCD拍摄光栅样品的透射强度分布,实现了对入射光束的空间求导。将不同的图像投影成像于高对比度光栅上,实现了对图像的边缘提取。高对比度光栅求导器结构简单,易于光学实现,能够广泛应用于光学计算、并行数据处理等领域。
【图文】：

交通大学博士学位论文 第一章减不再是表面等离子体波器件中的显著问题，这为集成光子学器件拓宽了道路面等离子体波传播中被金属吸收带来的损耗，在表面等离子体波器件中还要避的辐射损耗，防止表面等离子体波能量不必要地散射到自由空间。过去的几十年中，光子学一项重要的发展就是光子带隙材料的研究。光子带隙波长尺度的周期性结构来操控光和物质的相互作用，以此来构建新型的光子其中突出的一种结构就是光子晶体光纤。光子晶体光纤主要采用周期性结构的者半导体材料，而利用表面等离子体波之后，金属被用于光子带隙材料。表面波的传播特性会随周期结构发生改变。当纳米结构的周期为表面等离子体波波时，由于散射会引起表面等离子体波驻波的形成，并产生表面等离子体波禁带1 2 所示。由于表面电荷分布和电磁场的不同，表面等离子体波在同一入射光波

位论文 其光学电导率最小。石墨烯除了具有可调光学性质外目前石墨烯样品中得到的最高的载流子迁移率达到超平石墨烯层载流子迁移率达2。基工艺的兼容性和稳定性，促使了硅基光子学平台，，例如光通信数据链中的光电探测器、硅波导中体波器件中加入石墨烯同样可实现动态调制功能。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11;TN15

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本文编号：2649196