基于超表面光波导器件的模式调控研究
发布时间：2021-09-22 02:22
光学超表面（metasurface）器件是纳米光学的热门研究领域之一,其在传感、成像、全息投影、光电探测以及光集成等领域具有很大的应用价值和潜力。高速大容量的光集成通信网络是成为下一代互联网的发展趋势,为了提高网络中光储存、光传输以及光处理的能力,利用超表面结构提高光波导器件的集成度成为目前人们的研究热点。传统的光波导器件尺寸存在极限带宽（约70 nm）,光波导材料采用SiO2和LiNbO3,但这两种材料只能对部分光（波长范围处于近红外）具有良好的传输性能,这些都限制了光波导器件集成度的进一步发展。为了实现高集成度、高性能化以及大带宽的光通信网络,需要考虑新的材料以及新的技术。光波导器件是实现集成化光通信网络的主要基础元器件。在特定的工作波长范围内,如何实现高效率光波导器件,尤其是用于偏振和模式调控的器件,多模干涉器、光功率分配器、模式转换器、全光逻辑门器件及以此为基础形成的波导中的模式调控,仍然是个难题。另外,用于光通信以及信息处理的光波导器件制备往往需要精密的制备技术和时间成本,寻找新的制备方案降低光波导器件的制备难度,同时保证器件性能,...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)吉林省
【文章页数】：117 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
超原子（结构单元）、链（一维结构）、超表面（二维结构）和超材料（三维结构）的结构模型[18]
基于超表面光波导器件的模式调控研究4超表面主要使用具有亚波长尺寸的微结构单元构成的二维阵列来操纵光场，其微结构单元可以是金属（或介电）材料的纳米颗粒，也可以是金属（或介电）薄膜中的亚波长孔径[18]。根据构成材料的性质进行分类[53]，大多数超表面可以分为等离激元型超表面与介质型超表面，如图1.2所示。等离激元型表面结构所使用的材料有等离子体材料、贵金属、二维材料、半导体以及其他材料。介质型超表面结构所使用的材料有硅基材料、金属氧化物以及其他材料。另外，一些透明导电型氧化物（如金属氮化物、氢化物、氧化物、硼化物等）和相变材料既可以作为等离激元型超表面也可以作为介质型超表面。图1.2用于超表面的材料的分类[53]。Figure1.2Materialplatformsformetasurfaces[53].1.2.1金属型超表面金属型超表面，是等离激元型超表面的一种类型，具有强大的场约束能力，基于其制备的器件拥有更小的尺寸，因而被广泛应用于彩色滤光片和显示器[54,55]、增强谐波产生[56,57]、改进非线性[58,59]以及增强检测灵敏度[60,61]。另外，通过阻抗匹配减少金属型超表面的散射损耗[62]，合理对场约束与损耗之间进行权衡，金属型超表面在一些特定应用是非常适用的，比如吸收器[63-65]、完美的吸收剂以及高效的热发射器[66-68]、光催化[69]、高温应用（例如热光伏[70]），热量辅助磁记录[71]等。由金属材料构成的超表面，其光学性质之所以与介质材料具有显著差别，在于金属材料内部存在大量的自由电子。当金属材料受到外部电磁场驱动时，其导带中自由电子也会随之振荡。P.Drude提出将经典电子理论应用于金属当中，建立起了外部电磁场驱动下金属介电常数与金属内部自由电子运动的物理关系[72]，
]。通过对表面等离激元的控制，我们可以通过改变金属纳米结构单元的几何形状、尺寸和排列方式等实现对亚波长衍射范围内光场的操控。根据表面等离激元的传播特性，表面等离激元可以分为两类[75]：一种为光场在金属-介质界面附近具有高度局域性的表面等离极化激元波（SurfacePlasmonPolarization，SPP），另一种为光场在单个金属微纳结构附近具有高度局域性的局域表面等离激元（LocalizedSurfacePlasmon，LSP）。表面等离极化激元波是电磁波与金属表面的自由电子相互作用产生的沿着金属-介质界面传播的表面电子密度波，如图1.3（a）所示，电磁场在界面处强度最大，在介质和金属内部分别沿着界面法向方向指数衰减[76]。局域表面等离激元又称为局域表面等离激元共振（LocalizedSurfacePlasmonResonances，LSPR），在特定频率的电磁波照射下，单个金属微纳结构表面的电子集体振荡与附近的电磁场相互作用，产生很强的近场增强以及强烈的光吸收或者散射，如图1.3（b）所示。目前金属型光学超表面的实现主要是基于金属微纳结构的等离激元共振效应。金属微纳结构的局域表面等离激元共振会受到结构单元的材料、形状、尺寸以及周围材料的折射率等参数影响，同时也与入射光的激发方式有关[77]。图1.3（a）金属-介质表面SPPs波的传播电磁场分布示意图，（b）金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振示意图[78]。Figure1.3(a)SchematicillustrationoftheelectromagneticfielddistributionoftheSPPswaveonthemetal-dielectricsurface,(b)Schematicillustrationofthelocalizedsurfaceplasmonresonancesofmetalsphere[78].
【参考文献】：
期刊论文
[1]表面等离激元研究新进展[J]. 王振林. 物理学进展. 2009(03)
本文编号：3402944
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)吉林省
【文章页数】：117 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
超原子（结构单元）、链（一维结构）、超表面（二维结构）和超材料（三维结构）的结构模型[18]
基于超表面光波导器件的模式调控研究4超表面主要使用具有亚波长尺寸的微结构单元构成的二维阵列来操纵光场，其微结构单元可以是金属（或介电）材料的纳米颗粒，也可以是金属（或介电）薄膜中的亚波长孔径[18]。根据构成材料的性质进行分类[53]，大多数超表面可以分为等离激元型超表面与介质型超表面，如图1.2所示。等离激元型表面结构所使用的材料有等离子体材料、贵金属、二维材料、半导体以及其他材料。介质型超表面结构所使用的材料有硅基材料、金属氧化物以及其他材料。另外，一些透明导电型氧化物（如金属氮化物、氢化物、氧化物、硼化物等）和相变材料既可以作为等离激元型超表面也可以作为介质型超表面。图1.2用于超表面的材料的分类[53]。Figure1.2Materialplatformsformetasurfaces[53].1.2.1金属型超表面金属型超表面，是等离激元型超表面的一种类型，具有强大的场约束能力，基于其制备的器件拥有更小的尺寸，因而被广泛应用于彩色滤光片和显示器[54,55]、增强谐波产生[56,57]、改进非线性[58,59]以及增强检测灵敏度[60,61]。另外，通过阻抗匹配减少金属型超表面的散射损耗[62]，合理对场约束与损耗之间进行权衡，金属型超表面在一些特定应用是非常适用的，比如吸收器[63-65]、完美的吸收剂以及高效的热发射器[66-68]、光催化[69]、高温应用（例如热光伏[70]），热量辅助磁记录[71]等。由金属材料构成的超表面，其光学性质之所以与介质材料具有显著差别，在于金属材料内部存在大量的自由电子。当金属材料受到外部电磁场驱动时，其导带中自由电子也会随之振荡。P.Drude提出将经典电子理论应用于金属当中，建立起了外部电磁场驱动下金属介电常数与金属内部自由电子运动的物理关系[72]，
]。通过对表面等离激元的控制，我们可以通过改变金属纳米结构单元的几何形状、尺寸和排列方式等实现对亚波长衍射范围内光场的操控。根据表面等离激元的传播特性，表面等离激元可以分为两类[75]：一种为光场在金属-介质界面附近具有高度局域性的表面等离极化激元波（SurfacePlasmonPolarization，SPP），另一种为光场在单个金属微纳结构附近具有高度局域性的局域表面等离激元（LocalizedSurfacePlasmon，LSP）。表面等离极化激元波是电磁波与金属表面的自由电子相互作用产生的沿着金属-介质界面传播的表面电子密度波，如图1.3（a）所示，电磁场在界面处强度最大，在介质和金属内部分别沿着界面法向方向指数衰减[76]。局域表面等离激元又称为局域表面等离激元共振（LocalizedSurfacePlasmonResonances，LSPR），在特定频率的电磁波照射下，单个金属微纳结构表面的电子集体振荡与附近的电磁场相互作用，产生很强的近场增强以及强烈的光吸收或者散射，如图1.3（b）所示。目前金属型光学超表面的实现主要是基于金属微纳结构的等离激元共振效应。金属微纳结构的局域表面等离激元共振会受到结构单元的材料、形状、尺寸以及周围材料的折射率等参数影响，同时也与入射光的激发方式有关[77]。图1.3（a）金属-介质表面SPPs波的传播电磁场分布示意图，（b）金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振示意图[78]。Figure1.3(a)SchematicillustrationoftheelectromagneticfielddistributionoftheSPPswaveonthemetal-dielectricsurface,(b)Schematicillustrationofthelocalizedsurfaceplasmonresonancesofmetalsphere[78].
【参考文献】：
期刊论文
[1]表面等离激元研究新进展[J]. 王振林. 物理学进展. 2009(03)
本文编号：3402944
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/wulilw/3402944.html
