金属人工结构表面等离激元的传输性质及应用研究

发布时间：2017-08-31 10:20

  本文关键词：金属人工结构表面等离激元的传输性质及应用研究

  更多相关文章： 表面等离激元 量子阱探测器 耦合效率 分束器 定向集束

【摘要】：表面等离激元是光与金属表面自由电子相互作用形成的耦合电磁模式。金属表面等离激元具有表面传播,近场局域等独特的物理性质,它可以将光的能量限制在远小于衍射极限的尺度内。基于金属人工结构中表面等离激元的传输性质,可以开拓出极其广泛的应用领域。本论文在表面等离激元亚波长光学这一新兴学科的背景下,在如下三方面开展了理论设计和数值模拟的工作。首先,我们开展了利用金属复合结构增强量子阱探测器光耦合的研究。我们针对工作在4.3μm,激活区较厚的中红外量子阱探测器设计了由顶层金属薄膜和周期性金属条或者金属圆盘阵列组成的金属复合结构,将其集成于量子阱探测器顶部。数值模拟结果表明,通过合理地选择结构参数,可以使金属复合结构中的表面等离激元共振发生在量子阱探测器的工作波长,在探测器的激活区内产生平行于量子阱生长方向的增强电场,从而实现子带间跃迁,提高量子阱探测器的光耦合效率。二维周期性结构与一维周期性结构相比,耦合效率更高,且对入射光的偏振状态不具有选择性。此外,我们还发现,在去除衬底的情况下,基于空气-介质-金属波导共振也能实现光耦合增强。采用这种光耦合方式,无需通过减薄上电极使激活区贴近金属光栅,可以克服表面等离激元的近场效应给实际器件制备工艺带来的困难。然后,我们利用银-空气-银波导对不同波长的光实现了分束传播。我们针对光通信常用的两个波长1310nm和1550nm设计了一种包含一个输入通道和两个输出通道的分束器,通过在输出通道旁引入耦合腔的方法来截止某一个波长的光通过,而使另一个波长的光以较高的透过率通过。输出通道的截止波长仅取决于与之相连的耦合腔的尺寸。在采用T形耦合腔的情况下,输出通道在通过波长处的透过率能够接近90%。与此前报道的大量使用周期性金属光栅的分束器相比,我们设计的分束器具有体积小,能量损耗低的优点。最后,我们尝试设计金属人工结构来实现宽角度入射光的定向集束效应。针对光在大角度入射情况下经过含有结构修饰的金属薄膜后出射的能量将会严重衰减的缺点,我们使光从GaAs衬底背面入射,利用衬底的高折射率将入射角减小。在衬底上生长一层含有狭缝的金属薄膜,然后在出射口两侧设计有限周期数的凹槽。通过优化狭缝宽度和薄膜厚度可以使增强透射现象发生在我们希望的工作波长1.55μm处。通过仔细选取出射口两侧凹槽的结构参数,可以使表面等离激元波矢与周期性结构提供的倒格矢匹配,使表面等离激元退激发为光,出射光束的能量集中在正向传播的方向,且随着角度的变大不发生大幅衰减,从而对于宽角度入射光实现了定向集束效应。上述三方面工作获得的结果能够为后续相关器件的设计和制备,提供理论依据。
【关键词】：表面等离激元 量子阱探测器 耦合效率 分束器 定向集束
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG111.1;O441
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 1 引言12-28
• 1.1 表面等离激元的研究历史和现状13-16
• 1.2 表面等离激元的基本性质16-20
• 1.2.1 表面等离极化激元17-19
• 1.2.2 局域表面等离激元19-20
• 1.3 表面等离激元的应用20-21
• 1.4 本论文的研究内容21-23
• 参考文献23-28
• 2 金属人工结构光学性质的模拟方法28-46
• 2.1 自由电子气的介电函数29-30
• 2.2 常用的模拟方法简介30-31
• 2.3 电磁波时域有限差分法31-41
• 2.3.1 Maxwell方程的差分形式32-35
• 2.3.2 两种材料分界面上介电常数的选取35-37
• 2.3.3 初始条件的确定37-38
• 2.3.4 数值稳定性条件38-40
• 2.3.5 边界条件40-41
• 2.4 本论文使用的软件41-43
• 2.4.1 EastFDTD软件41-42
• 2.4.2 FDTD Solutions软件42-43
• 参考文献43-46
• 3 利用金属复合结构增强量子阱探测器的光耦合46-68
• 3.1 一维周期性金属复合结构修饰量子阱探测器47-52
• 3.1.1 理论模型和计算方法47-49
• 3.1.2 模拟结果和讨论49-52
• 3.2 基于空气-介质-金属波导共振模式的量子阱探测器光耦合增强52-59
• 3.2.1 理论模型和计算方法52-53
• 3.2.2 模拟结果和讨论53-57
• 3.2.3 空气-介质-金属波导与金属-介质-金属波导的比较57-59
• 3.3 二维周期性金属复合结构修饰量子阱探测器59-65
• 3.3.1 理论模型和计算方法60
• 3.3.2 模拟结果和讨论60-65
• 3.4 本章总结65-66
• 参考文献66-68
• 4 光在金属-空气-金属波导中的分束68-80
• 4.1 矩形耦合腔的分束作用69-75
• 4.1.1 理论模型和计算方法69-72
• 4.1.2 模拟结果和讨论72-75
• 4.2 T形耦合腔的分束作用75-77
• 4.3 本章总结77-80
• 5 基于金属人工结构实现宽角度入射光的定向集束80-90
• 5.1 采用含有狭缝和凹槽的金薄膜实现定向集束81-84
• 5.1.1 理论模型和计算方法81-82
• 5.1.2 模拟结果和讨论82-84
• 5.2 宽角度入射光的定向集束84-87
• 5.2.1 理论模型和计算方法84-85
• 5.2.2 模拟结果和讨论85-87
• 5.3 本章总结87-89
• 参考文献89-90
• 6 总结与展望90-92
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果92-93

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本文编号：765020