基于表面等离子体激元的新型波导及器件研究

发布时间：2020-06-08 00:48

【摘要】：表面等离子体激元(SPP)能够突破衍射极限,实现对电磁波在亚波长尺度内的局域特性,将光子器件的尺寸压缩到纳米量级。混合等离子体波导可以看作是介质光纤波导和SPP波导的结合,这种波导结构具有很强的模式局域能力和较低的传输损耗。混合等离子体波导为发展太赫兹到中红外波段的高性能、高集成度的SPP波导提供了新思路。电磁超材料是一种由亚波长单元结构构成的新型人工电磁材料,它具有自然材料所不具备的超常电磁特性。将局域表面等离子体激元与新型人工电磁超材料结构相结合的电磁器件应用涉及到光学天线、滤波器、探测器、调制器、光学透镜、热成像、太阳能电池、吸波材料、隐身斗篷等多个重要研究领域。传统基于金属SPP的波导器件利用结构变化的方法来调节波导的传输特性,不利于灵活实时调控。为了解决这一问题,人们将可以实现动态控制的一些材料,如液晶、液态金属、半导体等加入到SPP波导器件中,然而这些材料构成的可调谐器件通常不易于集成。近年来,石墨烯因其独特的电化学性质如高电子迁移率、灵活可调谐性、低损耗特性和强局域性等,成为各国科研工作人员关注的焦点。石墨烯表面等离子体激元工作在太赫兹和到中红外频段时,具有非常强的模式约束能力和较小的损耗,能够把工作在几十微米波长的波导器件缩小到半个微米尺度,通过调节外加电压或者化学掺杂,可以实现波导器件的电调谐,对太赫兹和红外波段可调谐型波导器件的小型化集成具有重要意义。正是基于以上考虑,本文通过将半导体、石墨烯、新型人工电磁超材料与表面等离子体激元相结合,取得了以下研究结果。1.本文提出了一种基于“不平坦”半导体基底的、具有高度模式局域性的混合等离子体波导,该波导可以看做是介质光纤波导和等离子体波导的结合。在太赫兹和中红外等低频段,光滑金属表面对SPP的局域性很弱,使得这种结构不适合在应用系统中紧凑的集成。为了解决这一问题,本文采用等离子体频率在太赫兹波段的半导体材料InSb代替传统贵金属,通过分析和尝试多种混合SPP波导的传输特性如等效模场面积、传播长度、品质因数、能量分布情况等,最终提出一种基于“不平坦”基底的混合SPP波导,实现了工作在1THz的具有低损耗、高局域性的混合等离子体波导,最小等效模式面积可达衍射极限模式面积的1/2000。此外还探索了利用增益材料实现无损传输的可行性条件。2.本文提出了一种低串扰传输的可调型双介质脊加载石墨烯混合等离子体波导。由Kubo公式出发,详细分析了石墨烯工作于3THz到300THz时表现出的不同材料特性。将石墨烯材料引入到介质波导结构中代替传统的贵金属材料构成混合等离子体波导,石墨烯SPP相比于SPP在贵金属表面的传输具有更好的模式约束性。通过对多种不同结构的石墨烯加载混合SPP波导传输特性的对比研究,最终提出了一种对称双介质脊加载石墨烯混合SPP波导结构,该波导工作于中红外波段,表现出良好的模式约束性,两相邻波导实现低串扰传输的最小距离为120nm,可以满足元器件高度密集的集成电路的需求。另外,研究了波导结构加工可能出现的形变如双脊不对称、长方形脊形变为梯形、长方形脊的尖角变圆角等情况,结果显示该波导具有较高的加工误差容限。通过改变石墨烯的外加电压或者化学掺杂,可以实现对波导传输模式特性的灵活调节。3.针对目前超材料滤波器存在的调制深度不够,结构复杂不易于灵活设计,不能实时调谐等问题,充分利用局域型SPP特性,提出了一种工作于中红外波段的、基于金属-石墨烯超材料结构的可调谐型双阻带滤波器。基于“明模”和“明模”之间的耦合作用,通过简单增减周期单元中刻蚀金属臂数量即可以调整带阻滤波器阻带个数,双阻带滤波器的调制深度可达-23.26dB。通过调整臂长和石墨烯层外加电压,可以改变结构的谐振频率,从而调节滤波器的工作频带。进一步优化石墨烯的载流子浓度,可获得一个非常深的调制深度。该金属-石墨烯周期性结构对周围环境介电常数变化的灵敏度高达2393nm/RIU,可用折射率传感器,最后,提出了发展多阻带滤波器等多频谱器件的思路。4.设计了一种基于多层金属-石墨烯超材料的动态独立可调型吸波器,实现了吸波器在中红外波段的多频带独立调谐和超宽带的吸收特性。通过对多层金属-石墨烯超材结构的层数、单元结构个数的调整,可以实现多频、宽频吸波器的任意定制。调整每层金属-石墨烯超材料中石墨烯所加载的门电压,可以实现对多个吸收频带的动态独立调谐。研究发现,该结构非常适合制作实现超宽带吸波器。通过叠加双层并联排列的金属-石墨烯超材料结构,可获得一个吸收率超过80%的7.5THz的宽带吸收,在该吸收宽带范围内的平均吸收峰值为88.5%。进一步堆叠超材料层数为三层超材料时,在27.5THz到38.4THz频带范围内,吸收峰最小值为60%,平均峰值吸收率为84.7%。对于获得结构简单、设计灵活、易于集成的微结构器件提供了新思路。
【图文】：

传播型,表面等离子体激元

图 1-1 传播型表面等离子体激元[3]es 等人[17]在Nature上发表文章，指出通过改变金的相互作用可以人为控制。2004 年，Pendry 等人金、铝等良导体上可利用小于入射波长尺寸的、磁波。金属表面的周期性人工微结构能够支持并波场与光波段光滑金属表面传播的表面等离子体期结构表面的电磁模式又被称为仿表面等离子体大关注，并出现了一系列人工微结构仿表面等离构仿 SPP 波导传输模式的频率与金属材料的固有面人工微结构的特征决定，因此，通过合理的结谱的表面波传输。

电场分布,电场分布,凹槽,波导

图 1-1 传播型表面等离子体激元[3]2003 年 Barnes 等人[17]在Nature上发表文章，指出通过改变金属表面结构，SPP、特别是其与光波的相互作用可以人为控制。2004 年，Pendry 等人[18]提出在 PEC 上或者贵金属银、金、铝等良导体上可利用小于入射波长尺寸的、周期排列的穿透开孔得到表面电磁波。金属表面的周期性人工微结构能够支持并约束表面电磁波传输，由于传播波场与光波段光滑金属表面传播的表面等离子体波类似，因此这种存在于金属周期结构表面的电磁模式又被称为仿表面等离子体波。该文一经刊出后，引起了极大关注，并出现了一系列人工微结构仿表面等离子体波导结构。由于该人工微结构仿 SPP 波导传输模式的频率与金属材料的固有等离子体频率无关，，仅由金属表面人工微结构的特征决定，因此，通过合理的结构参数优化，可实现整个电磁波谱的表面波传输。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN15

【参考文献】