微纳光波导的传输特性及其应用研究

发布时间：2020-05-08 07:15

【摘要】：伴随着光通信朝着超高速、超大容量、超长距离方向的快速发展,人们对器件工作性能和集成度的要求不断提高,光电器件的微型化已成为光通信及相关领域研究与应用的重要趋势之一。其中,微纳光波是研究微纳尺度光子学现象和构筑微纳光子器件的重要基石,其具有紧凑、光场约束能力强、损耗低、易于集成等优异性能,已经成为当前微纳光子学领域的研究热点之一。伴随不同类型微纳波导的出现,功能性、可调控等特性成为目前微纳光学领域研究者关注的热点之一。基于功能光电材料,譬如电光、声光、压电材料等,以及器件结构设计,可以实现常规器件难以实现的功能,譬如巨波导色散、大非线性系数、异常传输等特性。本论文围绕如何实现可控波导特性开展研究工作,开展了微纳光波导的传输特性以及应用的研究工作。主要工作包括:(1)数值研究了铌酸锂微纳波导的色散特性及其调控能力,获得了波导参数及外场条件对其色散特性的影响规律。设计了一种具有中间铌酸锂材料包层的三层波导结构,理论推导了该微纳波导的本征方程,重点对其在可见光633 nm波长和光纤通信波长1550 nm时的色散特性进行了研究。通过改变光纤的内芯直径或者改变铌酸锂薄膜厚度,实现了色散超大范围变化。而且,利用铌酸锂材料的电光特性,通过施加外部偏压,可以很好的对光纤的色散特性进行有效的调控。(2)数值研究了铌酸锂微纳波导的宽波段色散补偿特性,获得了其在中红外波段色散特性的调控规律。设计了一种具有硅内芯,中间铌酸锂材料包层的三层波导结构,发现铌酸锂微纳光纤具有很大的群速度色散值,可以作为中红外波段宽带的色散补偿器。我们重点探讨了 3μm、4 μm和5μ 波长时的群速度色散值,并且对由硅芯直径大小改变和铌酸锂包层厚度改变所引起的群速度色散值的改变开展了讨论。同时,讨论了外加电场强度时对我们光纤群速度色散值的调控作用。数值计算结果表明,可以通过选取不同的结构尺寸来实现光纤群速度色散值的调节,也可以通过改变材料的光学参数从而调节群速度色散。(3)数值研究了空芯微纳铌酸锂波导的传输特性,并获得了其在超连续光产生方面的调控规律。设计了一种铌酸锂空芯纳米光纤,并且对其模场特性、能量密度流动、色散特性、模场直径以及非线性参数进行了数值计算分析。数值结果表明,该铌酸锂空芯纳米线空气芯层内具有很强的光场,可以用于加强光与物质的相互作用。在铌酸锂空芯纳米线外表面,具有很强的倏逝波,可以用来实现与其他元件的光场耦合。此外,铌酸锂空芯微纳光纤具有小的模场直径和大的非线性系数,对于非线性光子器件的设计和应用具有十分重要的指导意义。(4)首次基于等离子体隧道效应实现了光的异常反射现象,获得了结构参数对其异常反射行为的影响规律。基于金属-介质-金属(MIM)结构,对由MIM组成的隧道结进行了研究。推导了该结构的隧道电流密度、隧道电导率以及隧道阻尼常数之间的关系式,并且分析了粒子质量和隧道结势垒高度大小对隧道电流密度,隧道电导率以及隧道阻尼常数的影响。利用所获得的阻尼常数范围,对我们所设计的有两个周期性MIM结构级联组成的超表面进行电压调控,当一束3 μm,x方向上偏振的电磁波入射到该超表面时,可以产生恒定的相位梯度,并且这个相位梯度常数可调。通过改变施加在每个MIM波导单元上的电压值,我们所提出的基于等离子体隧道效应的MIM超表面可以实现0-15度范围内异常反射角的可调。研究结果对发展新型可调谐微纳光子器件提供了参考。
【图文】：

示意图,表面等离激元,金属界面,介质

表面等离激元是一种存在于金属和介质界面的表面电磁波，它可以沿着界逡逑面来进行传播，并且在垂直于传播方向上呈现以指数形式衰减的趋势。其示意逡逑图如图１．１所示：逡逑Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ邋［逡逑＋邋＋邋＋逦逦ｖ＾／＋邋＋邋＋逦逦邋Ｘ逡逑Ｍｅｔａｌ逡逑图１．１表面等离激元在介质和金属界面传播示意图Ｉ６２］逡逑表面等离激元现象最早于１７０４年由牛顿观测到，那时表面等离激元的概念逡逑还未被提出［６３］。十九世纪末期，Ｓｏｍｍｅｒｆｅｌｄ等人给出了沿着导体表面传播的电逡逑磁波的数学表达式［６４，６５］。１９０２年，Ｒｏｂｅｒｔ．邋Ｗ．邋Ｗｏｏｄ发现利用一束横向偏振的连逡逑续电磁波光束照向金属光栅时，反射光谱中出现一个与经典的物理学衍射完全逡逑不同的低反射谷，后来这一现象被称之为Ｗｏｏｄ异常现象１９４１年，表面等逡逑离子体波的概念由Ｆａｎｏ首次提出［６７］。１９５７年，Ｄａｖｉｄ邋Ｐｉｎｅｓ提出表面等离激元逡逑“ｐｌａｓｍｏｎ”这一概念，发现金属内电子在纵向集体振荡时会出现能量损耗［？。逡逑１９５８年

反对称模式,对称模式,波导结构,电磁波

数形式衰减的方式进行传输。假如将中间的金属夹层厚度设计得足够小，在两逡逑个分界面处的等离子波很容易发生相互间的耦合，出现两种传输模式，一种称逡逑之为对称传输模式，另一种称之为反对称传输模式，其电场分布示意图如图１．２逡逑所示逡逑ｖ逦ｙ逡逑N逦？逡逑Ｉ逦）卜逦心－－？ａ％邋Ｒｅ｛￡；0？）！逡逑ｒ邋－逡逑图１．２邋ＩＭＩ波导结构中的对称模式和反对称模式。引用来自文献逡逑由于在对称模式下两个界面处电磁波幅度符号一样，电磁波能量过多地集逡逑中在金属夹层中间，因此产生较多的欧姆热量，使得等离子波的传输距离受到逡逑限制。相比对称模式而言，由于界面上等离子波发生耦合，在反对称模式中，逡逑金属中的电磁波振幅互为相反数，因此电磁波能量能够相互抵消，从而使得产逡逑生的欧姆热量大大地减少，电磁波的传输距离可以明显增加。当ＩＭＩ结构波导逡逑中间的金属夹层比较薄时，尽管其欧姆热损耗减小，传输距离变长，，但是由于逡逑在两边介质层中传播的电磁波分布较多，能量不能很好的集中，所以电磁波局逡逑域性会减小。逡逑ＭＩＭ波导逡逑和ＩＭＩ波导类似
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN252

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