表面等离子体近红外纳米线激光器研究
发布时间：2021-08-21 09:14
半导体纳米线在超小型激光器中具有重要应用潜力。然而受光学衍射极限的限制,光子模式纳米线激光器尺寸的进一步降低已经遇到瓶颈。表面等离子体激元能够将光场限制在亚波长范围内,进而突破衍射极限。将纳米线与表面等离子体激元结合起来形成表面等离子体纳米线激光器,是实现突破衍射极限的深亚波长激光器的一条可行途径。本论文围绕表面等离子体Ⅲ-Ⅴ族纳米线激光器展开理论研究,取得的主要研究成果如下:（1）采用有限时域差分法,理论研究了表面等离子体GaAs纳米线激光器的阈值增益特性。结果表明.:高阶等离子体模式由于较弱的模式限制能力而具有低损耗传播特性,较基模更容易实现激射。混合等离子体模式通过间隙层存储电磁能量减轻了金属对其传播特性的影响,相比于高阶等离子体模式更容易实现小直径激射。（2）设计并仿真了一种基于AlGaAs/GaAs纳米线径向多量子阱结构的纳米激光器,对比研究了光子激光器和混合等离子体激光器的模场分布和阈值特性。结果表明,光子激光器在直径较大时更容易实现激射;相反,混合等离子体激光器可以突破光学衍射极限从而在小直径范围内实现低阈值激射,阈值增益最小可达788 cm-1,对应直径为130nm。混...
【文章来源】：北京邮电大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－３?（ａ）?Ｏｔｔｏ结构，（ｂ）?Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ结构通过衰减全反射（ＡＴＲ）方法激发ＳＰＰ示意图丨２２丨
大于临界角，则发生全反射现象。若改变入射电磁波的角度使得其波矢在金属电??介质界而上平行于界面的分量，并且与ＳＰＰ波的波矢相等，则会在该界面激发出??ＳＰＰ，如图２－３（ａ）所小Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ是基十Ｏｔｔｏ的一种改进，其按照金属、棱镜??的顺序１：１上而下构成，其中金属层达到儿十纳米即可，如图２－３（ｂ）所示。其激发??方式和Ｏｔｔｏ类似，似扣较于Ｏｔｔｏ结构，该结构的优势是将金属薄膜直接镀在棱??镜的表面，不再留有间隙，有利于制备且得到更为广泛的应用。??（ａ）?ｙ＼?（ｂ）?八??ｓＡ?Ｌｉｇｈｔ?ｗａｖｅ??Ｏｐｔｉｃａｌ?ｐｒｉｓｍ?／?０?＼＼??——Ｏｐｔｉｃａｌ?ｐｒｉｓｍ?／??Ｄｉｇｃ?ｎｄ?ｓｐ?ｇ?Ｍｅｔａｌ?ｌａｙｅｒ??＿?匾．Ｉ］?Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｎｄ?＾??图２－３?（ａ）?Ｏｔｔｏ结构，（ｂ）?Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ结构通过衰减全反射（ＡＴＲ）方法激发ＳＰＰ示意图丨２２丨。??另一种激发ＳＰＰ的方式是利用光栅来实现入射光与ＳＰＰ之间的波矢匹配，??如图２－４所示，可由公式（２－４４）解释：??ｋ０?ｓｉｎ?６?＋?ｍｇ?＝?（２－４４）??其中０是入射角度，表示复传播常数，ｍ是整数，ｇ＝２７ｒ／Ａ，?Ａ为光栅周期。??借助于光栅耦合的相位匹配方式是目前最为通用的激发形式
??介质中的波导模式也是激发ＳＰＰ的方式之一，如图２－５所示。模式沿着波导??轴向传播，能量会同时渗透进入介质和金属薄胶屮。当丨丨．仪介质中的波导模式??与ＳＰＰ模式的传播常数的实部一致时产生耦合作用，并在金属外边界激发出ＳＰＰ??模式。本论文中ＳＰＰ模式由纳米线介质内的导模激发，并Ｍ导校在纳米级间隙Ｍ??中耦合并产生最终用于传播的混合ＳＰＰ模式，详细物理机制见３．２节。??Ｓｕｐｅｒｓｔｒａｔｅ??＿?？??ＷａＴａ＾ｅｒｄ＇ｎ９?２ｄ〉??Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ?：?：??；?Ｌ?；??图２－５波导耦合方式激犮ＳＰＰ示意图ＰＩ。??２．３仿真环境介绍??Ｍａｘｗｅｌｌ方程组足－？组完整的定量描述宏观电磁现象的基本方程组，根据需??要可以写成积分和微分的形式。有限时域差分法（ＦＤＴＤ）是１９６６年Ｋ．?Ｓ．?Ｙｅｅ提??出的一种电磁计算方法，通过将微分形式的Ｍａｘｗｅｌｌ旋度方程差分离散化，使用??二阶精度的中心差分近似代替原方程的微分形式，模拟出点子脉冲和理想道题作??用的时域响应ＰｌｏＦＤＴＤ作为一种强有力的数值计算技术
本文编号：3355324
【文章来源】：北京邮电大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－３?（ａ）?Ｏｔｔｏ结构，（ｂ）?Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ结构通过衰减全反射（ＡＴＲ）方法激发ＳＰＰ示意图丨２２丨
大于临界角，则发生全反射现象。若改变入射电磁波的角度使得其波矢在金属电??介质界而上平行于界面的分量，并且与ＳＰＰ波的波矢相等，则会在该界面激发出??ＳＰＰ，如图２－３（ａ）所小Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ是基十Ｏｔｔｏ的一种改进，其按照金属、棱镜??的顺序１：１上而下构成，其中金属层达到儿十纳米即可，如图２－３（ｂ）所示。其激发??方式和Ｏｔｔｏ类似，似扣较于Ｏｔｔｏ结构，该结构的优势是将金属薄膜直接镀在棱??镜的表面，不再留有间隙，有利于制备且得到更为广泛的应用。??（ａ）?ｙ＼?（ｂ）?八??ｓＡ?Ｌｉｇｈｔ?ｗａｖｅ??Ｏｐｔｉｃａｌ?ｐｒｉｓｍ?／?０?＼＼??——Ｏｐｔｉｃａｌ?ｐｒｉｓｍ?／??Ｄｉｇｃ?ｎｄ?ｓｐ?ｇ?Ｍｅｔａｌ?ｌａｙｅｒ??＿?匾．Ｉ］?Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｎｄ?＾??图２－３?（ａ）?Ｏｔｔｏ结构，（ｂ）?Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ结构通过衰减全反射（ＡＴＲ）方法激发ＳＰＰ示意图丨２２丨。??另一种激发ＳＰＰ的方式是利用光栅来实现入射光与ＳＰＰ之间的波矢匹配，??如图２－４所示，可由公式（２－４４）解释：??ｋ０?ｓｉｎ?６?＋?ｍｇ?＝?（２－４４）??其中０是入射角度，表示复传播常数，ｍ是整数，ｇ＝２７ｒ／Ａ，?Ａ为光栅周期。??借助于光栅耦合的相位匹配方式是目前最为通用的激发形式
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