基于表面等离激元和声子极化的器件及波导特性研究
发布时间：2020-08-20 06:34
【摘要】：微纳光子学作为一门新兴科学,为未来集成化、小型化光器件及其组成系统的发展提供了新的指引方向。表面等离激元作为其研究领域的重要分支,在微纳光器件、能源利用、生物传感等领域均有重要的应用价值。石墨烯是一种具有良好电学、光学特性的二维材料,其支持的石墨烯表面等离激元具备优异的可调谐性、强大的场束缚能力以及较低的传输损耗。而六方氮化硼作为一种双曲色散特性的天然材料,其支持的声子极化激元更是具备比石墨烯更低的传输损耗特性。本论文的研究内容主要是利用石墨烯、六方氮化硼等材料结合金属光栅、硅光栅等结构提出了多种可调谐光器件、折射率传感器,并针对基于这些混合结构的波导进行传输特性分析及场束缚能力的研究。本论文主要的研究成果如下:(1)提出了一种基于金属银光栅-石墨烯-间隔层-金属银混合结构的中红外可调谐吸收器。通过调节金属银-空气光栅结构的几何参数和石墨烯费米能级,吸收峰的吸收率可以达到99.9%以上。将上述金属银-空气光栅中空气部分替换为折射率传感媒介,进一步提出一种灵敏度为2.3微米每折射率单位的中红外折射率传感器。(2)提出了一种基于石墨烯-间隔层-硅光栅混合结构的中红外可调谐窄带表面等离子体诱导透明(PIT)及慢光效应。通过调控硅光栅、间隔层和石墨烯的相关参数,PIT波峰的品质因数可以超过108,整个PIT窗口内的群时延能大于0.44 ps。进一步提出一种基于石墨烯-渐变周期硅光栅结构的慢光器件,其光捕获带宽可以达到约0.7微米。(3)提出了一种基于六方氮化硼(h-BN)-石墨烯-二氧化硅光栅结构的PIT系统。通过调节该结构的几何参数和石墨烯化学势,在reststrahlen(RS)高频波段内和RS波段外都能实现PIT效应。并且在RS高频波段内PIT窗口的群时延大于0.15 ps。进一步提出一种基于上述基础结构的折射率传感器,其在RS波段之外的灵敏度为0.336微米每折射率单位。(4)提出了一种基于石墨烯包覆h-BN纳米线对波导结构,该结构可以分别支持表面等离激元-声子极化混合模式和声子极化模式。研究结果表明表面等离激元-声子极化混合模式的最低阶模式具有比其他同类型模式更强大的场束缚能力和更低的传输损耗特性。通过调节衬底半径或者石墨烯费米能级,都能实现这种混合模式的最低阶模式超过105的场加强。(5)研究了石墨烯-h-BN三明治型圆波导结构。针对该结构中包含h-BN这种各向异性介电常数的材料,从麦克斯韦方程组出发推导出该材料区域横磁模式的电场分量和磁场分量之间的关系式。并且结合边界条件,进一步推导出该多层波导结构支持横磁模式的特征方程。(6)针对石墨烯-h-BN三明治型圆波导结构,研究了它的几何参数和石墨烯化学势分别与其支持的声子极化-声学表面等离激元混合模式和声子极化-光学表面等离激元混合模式的有效模式折射率实部和优良指数(FOM)之间的依赖关系。并分析了表面等离激元和声子极化激元的耦合对这两种混合模式色散特性的影响。通过调控石墨烯化学势,声子极化-声学表面等离激元混合模式的FOM可以超过180。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN252
【图文】：
在６５邋ＧＨｚ以上，整个器件长度只有２９微米，其示意图和部分结构ＳＥＭ图像如图逡逑ｌ－２（ｅ）－（ｆ）所示［２９］。而瑞士苏黎世联邦理工学院的Ｃ．Ｈａｆｆｉｉｅｒ等人则提出了一个微逡逑米尺寸的全表面等离子体的马赫增德尔调制器，其调制器部分ＳＥＭ图像如图１－２邋（ｇ）逡逑所示［３（）］。此外，朝鲜的Ｋｉｍ邋ＩＩ邋Ｓｕｎｇ邋Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ和武汉大学的Ｓ．－Ｊ．邋Ｉｍ等人提出了一逡逑种基于ＭＩＭ结构耦合ＩｎＧａＡｓＰ长方形谐振腔的相位调制器，其每比特的能耗理想逡逑情况下低至１０ｆＪ／ｂｉｔ量级［３１］。逡逑不仅如此，损耗特性和消光比的优化同样有助于增加表面等离激元调制器的逡逑实用性。此外，探测灵敏度对于光电探测器性能的考量也十分关键。瑞士苏黎世逡逑联邦理工学院的Ｃ．邋Ｈａｆｆｉｉｅｒ提出了低损耗的基于表面等离子体激元的电光调制器，逡逑其部分结构ＳＥＭ图像及高速数据实验示意图如图ｌ－３（ｅ）－（ｇ）所示［３２］。日本东京大逡逑学的Ｊ．邋Ｋ．邋Ｃｌａｒｋ等人报道了一种基于二氧化钒（Ｖ0２）邋／金属Ａｕ的波导调制器，其逡逑三维波导结构图如图１－３邋（１）所示，其长度仅有５５０邋ｎｍ，消光比是２６．８５邋ｄＢ每微逡逑米［３３］。来自俄罗斯科学院西伯利亚分院的Ａ．邋Ｉ．邋Ｙａｋｍｉｏｖ等人提出了一种基于二维逡逑金属薄片阵列和锗硅材料的中红外光电探测器
邋（ｇ）逡逑■ｓ＿｜｜逡逑图１－２多种基于金属等离激元的调制器、微纳光器件、光传感器及吸收器。（ａ）－（ｂ）全光型逻逡逑辑二进制编码器示意图和ＳＥＭ图像１３＼邋（ｃ）－（ｄ）片上集成型的多通道滤波器示意图和ＳＥＭ图逡逑像［圳；（ｅ）－（ｆ）基于金属Ａｕ和聚合物及硅波导结构的相位调制器示意图和ＳＥＭ图像１别；（ｇ）全逡逑表面等离子体的马赫增德尔调制器ＳＥＭ图像［别；（ｈ）基于金属Ａｇ包覆倾斜光纤光栅的尿蛋逡逑白检测医学传感器结构示意图和样品测试图［３７】；（0－⑴用于太阳能转换的可调谐带宽表面等离逡逑子体吸收器部分ＳＥＭ图像ｔ３８］。本图所有图片均来自上述参考文献。逡逑Ｆｉｇ．邋１－２．邋Ｖａｒｉｏｕｓ邋ｍｅｔａｌ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ｐｌａｓｍｏｎ邋ｐｏｌａｒｉｔｏｎ－ｂａｓｅｄ邋ｍｏｄｕｌａｔｏｒ，邋ｍｉｃｒｏ－ｎａｎｏ邋ｏｐｔｉｃａｌ邋ｄｅｖｉｃｅｓ，逡逑ｏｐｔｉｃａｌ邋ｓｅｎｓｏｒ邋ａｎｄ邋ａｂｓｏｒｂｅｒ．⑶－（ｂ）邋ｔｈｅ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ａｎｄ邋ＳＥＭ邋ｉｍａｇｅ邋ｆｏｒ邋ｔｈｅ邋ａｌｌ－ｏｐｔｉｃａｌ邋ｌｏｇｉｃ邋ｂｉｎａｒｙ逡逑ｅｎｃｏｄｅｒ１３５１，邋（ｃ）－（ｄ）邋ｔｈｅ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ａｎｄ邋ＳＥＭ邋ｉｍａｇｅ邋ｆｏｒ邋ｔｈｅ邋ｏｎ－ｃｈｉｐ邋ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ邋ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌ邋ｆｉｌｔｅｒｆ３６＾逡逑（ｅ）－（ｆ）邋ｔｈｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ａｎｄ邋ＳＥＭ邋ｉｍａｇｅ邋ｆｏｒ邋ｔｈｅ邋ｐｈａｓｅ邋ｍｏｄｕｌａｔｏｒ１２９１，邋（ｇ）邋ｔｈｅ邋ＳＥＭ邋ｉｍａｇｅ邋ｆｏｒ邋ｔｈｅ逡逑Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ邋ｍｏｄｕｌａｔｏｒ１３０１
可以在特定波段支持ＴＥ模式传输、强大的场束缚能力以及低损耗特性。而石墨烯逡逑作为一种性能极好的二维材料，其出现的形态主要有石墨烯薄片、石墨烯纳米线逡逑等等，结合多种谐振腔结构，使得基于石墨烯的混合结构层出不穷。图１－４列举出逡逑了几种较为普遍的石墨烯波导结构示意图，诸如石墨烯包覆介质纳米线［６１］、位于逡逑衬底上的石墨烯薄片［６２］、基于石墨烯环的光学天线［６３］、基于石墨烯带状的表面等逡逑离子体共振［６４］以及基于石墨烯裂环的光吸收［６５］。当然了，一般位于衬底上的石墨逡逑烯薄片或是石墨烯带，又能通过工艺技术呈现不同的形态，从而实现不同的光器逡逑件功能，图１－５列举了三种不同形态石墨烯薄片的波导结构示意图，诸如基于Ｈ逡逑型石墨烯薄片的中红外吸收器［６６＼基于Ｔ型石墨烯薄片的太赫兹器件Ｍｌ和基于Ｌ逡逑型石墨烯薄片的偏振转换器［６８］。逡逑（ｃ）逦（ｄ）逦（ｅ＞逡逑ｍｏｄｅ邋Ａ，逦ｍｏｄｅ邋Ｂ逦＾逡逑◎◎欢■~?、逡逑ＥＦ＝０邋６ｅＶ逡逑图１－４多种石墨烯波导结构示意图。（ａ）石墨烯包覆介质纳米线示意图（ｂ）石墨烯薄片示逡逑意图Ｉ６２』；（ｃ）石墨烯环状结构（ｄ）石墨烯带状结构Ｉ６４』；（ｅ）石墨烯裂环结构〖６５』。逡逑Ｆｉｇ．邋１－４．邋Ｔｌｉｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｆｏｒ邋ｓｏｍｅ邋ｋｉｎｄｓ邋ｏｆ邋ｇｒａｐｈｅｎｅ邋ｗａｖｅｇｕｉｄｅ，邋（ａ）邋ｔｈｅ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｔｈｅ逡逑ｇｒａｐｈｅｎｅ－ｃｏａｔｅｄ邋ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｎａｎｏｗｉｒｅ＾６１ｌ邋（ｂ）邋ｔｈｅ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｇｒａｐｈｅｎｅ
本文编号：2797655
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN252
【图文】：
在６５邋ＧＨｚ以上，整个器件长度只有２９微米，其示意图和部分结构ＳＥＭ图像如图逡逑ｌ－２（ｅ）－（ｆ）所示［２９］。而瑞士苏黎世联邦理工学院的Ｃ．Ｈａｆｆｉｉｅｒ等人则提出了一个微逡逑米尺寸的全表面等离子体的马赫增德尔调制器，其调制器部分ＳＥＭ图像如图１－２邋（ｇ）逡逑所示［３（）］。此外，朝鲜的Ｋｉｍ邋ＩＩ邋Ｓｕｎｇ邋Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ和武汉大学的Ｓ．－Ｊ．邋Ｉｍ等人提出了一逡逑种基于ＭＩＭ结构耦合ＩｎＧａＡｓＰ长方形谐振腔的相位调制器，其每比特的能耗理想逡逑情况下低至１０ｆＪ／ｂｉｔ量级［３１］。逡逑不仅如此，损耗特性和消光比的优化同样有助于增加表面等离激元调制器的逡逑实用性。此外，探测灵敏度对于光电探测器性能的考量也十分关键。瑞士苏黎世逡逑联邦理工学院的Ｃ．邋Ｈａｆｆｉｉｅｒ提出了低损耗的基于表面等离子体激元的电光调制器，逡逑其部分结构ＳＥＭ图像及高速数据实验示意图如图ｌ－３（ｅ）－（ｇ）所示［３２］。日本东京大逡逑学的Ｊ．邋Ｋ．邋Ｃｌａｒｋ等人报道了一种基于二氧化钒（Ｖ0２）邋／金属Ａｕ的波导调制器，其逡逑三维波导结构图如图１－３邋（１）所示，其长度仅有５５０邋ｎｍ，消光比是２６．８５邋ｄＢ每微逡逑米［３３］。来自俄罗斯科学院西伯利亚分院的Ａ．邋Ｉ．邋Ｙａｋｍｉｏｖ等人提出了一种基于二维逡逑金属薄片阵列和锗硅材料的中红外光电探测器
邋（ｇ）逡逑■ｓ＿｜｜逡逑图１－２多种基于金属等离激元的调制器、微纳光器件、光传感器及吸收器。（ａ）－（ｂ）全光型逻逡逑辑二进制编码器示意图和ＳＥＭ图像１３＼邋（ｃ）－（ｄ）片上集成型的多通道滤波器示意图和ＳＥＭ图逡逑像［圳；（ｅ）－（ｆ）基于金属Ａｕ和聚合物及硅波导结构的相位调制器示意图和ＳＥＭ图像１别；（ｇ）全逡逑表面等离子体的马赫增德尔调制器ＳＥＭ图像［别；（ｈ）基于金属Ａｇ包覆倾斜光纤光栅的尿蛋逡逑白检测医学传感器结构示意图和样品测试图［３７】；（0－⑴用于太阳能转换的可调谐带宽表面等离逡逑子体吸收器部分ＳＥＭ图像ｔ３８］。本图所有图片均来自上述参考文献。逡逑Ｆｉｇ．邋１－２．邋Ｖａｒｉｏｕｓ邋ｍｅｔａｌ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ｐｌａｓｍｏｎ邋ｐｏｌａｒｉｔｏｎ－ｂａｓｅｄ邋ｍｏｄｕｌａｔｏｒ，邋ｍｉｃｒｏ－ｎａｎｏ邋ｏｐｔｉｃａｌ邋ｄｅｖｉｃｅｓ，逡逑ｏｐｔｉｃａｌ邋ｓｅｎｓｏｒ邋ａｎｄ邋ａｂｓｏｒｂｅｒ．⑶－（ｂ）邋ｔｈｅ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ａｎｄ邋ＳＥＭ邋ｉｍａｇｅ邋ｆｏｒ邋ｔｈｅ邋ａｌｌ－ｏｐｔｉｃａｌ邋ｌｏｇｉｃ邋ｂｉｎａｒｙ逡逑ｅｎｃｏｄｅｒ１３５１，邋（ｃ）－（ｄ）邋ｔｈｅ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ａｎｄ邋ＳＥＭ邋ｉｍａｇｅ邋ｆｏｒ邋ｔｈｅ邋ｏｎ－ｃｈｉｐ邋ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ邋ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌ邋ｆｉｌｔｅｒｆ３６＾逡逑（ｅ）－（ｆ）邋ｔｈｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ａｎｄ邋ＳＥＭ邋ｉｍａｇｅ邋ｆｏｒ邋ｔｈｅ邋ｐｈａｓｅ邋ｍｏｄｕｌａｔｏｒ１２９１，邋（ｇ）邋ｔｈｅ邋ＳＥＭ邋ｉｍａｇｅ邋ｆｏｒ邋ｔｈｅ逡逑Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ邋ｍｏｄｕｌａｔｏｒ１３０１
可以在特定波段支持ＴＥ模式传输、强大的场束缚能力以及低损耗特性。而石墨烯逡逑作为一种性能极好的二维材料，其出现的形态主要有石墨烯薄片、石墨烯纳米线逡逑等等，结合多种谐振腔结构，使得基于石墨烯的混合结构层出不穷。图１－４列举出逡逑了几种较为普遍的石墨烯波导结构示意图，诸如石墨烯包覆介质纳米线［６１］、位于逡逑衬底上的石墨烯薄片［６２］、基于石墨烯环的光学天线［６３］、基于石墨烯带状的表面等逡逑离子体共振［６４］以及基于石墨烯裂环的光吸收［６５］。当然了，一般位于衬底上的石墨逡逑烯薄片或是石墨烯带，又能通过工艺技术呈现不同的形态，从而实现不同的光器逡逑件功能，图１－５列举了三种不同形态石墨烯薄片的波导结构示意图，诸如基于Ｈ逡逑型石墨烯薄片的中红外吸收器［６６＼基于Ｔ型石墨烯薄片的太赫兹器件Ｍｌ和基于Ｌ逡逑型石墨烯薄片的偏振转换器［６８］。逡逑（ｃ）逦（ｄ）逦（ｅ＞逡逑ｍｏｄｅ邋Ａ，逦ｍｏｄｅ邋Ｂ逦＾逡逑◎◎欢■~?、逡逑ＥＦ＝０邋６ｅＶ逡逑图１－４多种石墨烯波导结构示意图。（ａ）石墨烯包覆介质纳米线示意图（ｂ）石墨烯薄片示逡逑意图Ｉ６２』；（ｃ）石墨烯环状结构（ｄ）石墨烯带状结构Ｉ６４』；（ｅ）石墨烯裂环结构〖６５』。逡逑Ｆｉｇ．邋１－４．邋Ｔｌｉｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｆｏｒ邋ｓｏｍｅ邋ｋｉｎｄｓ邋ｏｆ邋ｇｒａｐｈｅｎｅ邋ｗａｖｅｇｕｉｄｅ，邋（ａ）邋ｔｈｅ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｔｈｅ逡逑ｇｒａｐｈｅｎｅ－ｃｏａｔｅｄ邋ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｎａｎｏｗｉｒｅ＾６１ｌ邋（ｂ）邋ｔｈｅ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｇｒａｐｈｅｎｅ
【参考文献】
相关博士学位论文 前6条
1 徐曜;全光网络关键器件与少模光纤的研究[D];北京交通大学;2018年
2 杨宇光;全光交换关键器件和光纤传感器的研究[D];北京交通大学;2018年
3 姜有超;特种光纤及光纤中涡旋光的研究[D];北京交通大学;2018年
4 朱博枫;基于石墨烯等离激元及六方氮化硼的微纳光器件的研究[D];北京交通大学;2017年
5 高一晓;非线性可调谐表面等离激元器件的研究[D];北京交通大学;2017年
6 庄华伟;太赫兹及中红外频段石墨烯表面等离激元器件的研究[D];山东大学;2015年
本文编号：2797655
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