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表面等离子体激元共振腔性质及全光调控研究

作　者: 王小蕾
导　师: 王沛；明海
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 光学
关键词: 表面等离子体激元表面等离子体激元共振腔三阶非线性光学效应光学双稳偶氮聚合物全光调控
分类号: TN256
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

如何获得突破衍射极限的光波导及光调制器,是实现纳米全光集成的基础,也是纳米光子学领域的一大研究热点。表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons,SPP）共振腔把SPP和共振腔特点结合起来,可以实现高Q值、小模体积的微型SPP共振腔。SPP全光调控利用SPP局域场增强特性可以实现高灵敏、低阈值、高速的SPP全光开关。SPP共振腔和SPP全光调制器在纳米光子器件、纳米集成光路及微纳传感等领域具有潜在的应用前景。本论文主要从理论和实验上研究了表面等离子体激元共振腔以及SPP全光调控的物理机制和应用。主要的研究工作和成果如下:1.利用波导理论分析了金属-介质-金属（metal-dielectric-metal, M-D-M）狭缝结构的色散关系、以及模式特点与介质层厚度的关系。分析表明:结构中两个最低阶TM模式分别对应对称的SPP（0）模式和反对称的SPP（1）模式;SPP（0）模式没有截止厚度,而SPP（1）不仅有截止厚度,且存在一个临界厚度。提出构造结构调制位相可有效调控SPP,为通过非线形光学材料复合特定金属微纳结构实现对SPP的全光动态调控提供了基础。引入光学非线性,给出了金属-非线性光学介质-金属（metal-nonlinear dielectric-metal, M-NLD-M）结构的色散关系,研究了结构中对称模式SPP（0）和反对称模式SPP（1）传播常数与光强的关系,并利用入射光强调控两个模式传播常数差,实现了出射通道的切换。理论分析了M-NLD-M狭缝阵列结构的光分束物理机制,设计了SPP分束器,基于法布里-珀罗（Fabry-Perot, F-P）腔共振和三阶非线性光学效应,通过改变入射光强度调控各狭缝单元间的位相差,实现了分束角的动态调控。2.利用边界积分方法研究了SPP在凹、凸金属-介质界面的色散关系、模式特性、相速度和传播损耗。研究表明:凹面上传播的SPP相速度大于平面上传播的SPP,而凸面上传播的SPP相速度小于平面上传播的SPP;由于界面的弯曲,曲面结构的SPP损耗比平面结构的损耗大,研究结果对设计SPP共振腔结构器件具有很好的指导意义。通过理论分析研究了提高SPP共振腔消光比的方法,并由此设计了具有高消光比的跑道形SPP共振腔,分析了结构参数对于临界耦合点的影响,选择合适的结构参数使其在1.55μm波长处达到临界耦合共振,消光比为-34.5dB。此结果对纳米集成及其传感、调制应用具有重要意义。运用时间域的耦合模方程和非线性微扰理论分析了跑道形SPP共振腔的非线性光学双稳特性,并由此设计了高对比度的跑道形SPP开关,泵浦光峰值光强为1.748MW/cm²时,其开关时间为0.38ps,消光比为97.8%,这为微型、快速、低阈值和高开关比的SPP全光调控器件的实现提供了必要的研究基础。3.利用有限元方法分析了银纳米线三种构型结构的SPP模式特点、Q因子及有效模体积V_eff。基于以上研究,设计了高Q值、超小模体积的银纳米环-介质-银膜SPP-Gap共振腔结构。研究分析了结构中腔模式（Gap mode）的场分布特点、Q因子及有效模体积与结构参数之间的关系,并优化结构参数, V_eff和Q/V_eff分别达到0.0083μm³和1.6×10⁴μm^-3。该研究有利于发展芯片集成的新型SPP传感、有源纳光子器件及其集成技术。4.理论分析了SPP在各向异性单轴晶体-金属界面的色散关系和传播特性,研究表明:各向异性单轴晶体-金属界面的SPP性质和晶体光轴的取向有着很大的关系,光轴在垂直界面（XZ平面）中取向时,其对SPP性质的影响比在界面（XY平面）中取向影响大。并设计了实验方案,实验验证了理论分析结果。利用Krestschmann-Raether结构研究了棱镜-银膜-偶氮聚合物的SPP全光调制,选择合适偏振的光泵浦方式,得到了47.74%的对比度。该结果对各向异性晶体-金属界面SPP物理性质研究及其全光调控具有重要意义。本论文创新点和特色:1.提出通过增加耦合长度来提高SPP共振腔的消光比。基于此,设计了高消光比的跑道形SPP共振腔,其消光比可以达到-34.5dB。运用时间域的耦合模方程和非线性微扰理论分析了跑道形SPP微腔的非线性光学双稳特性,并由此设计了高对比度的跑道形SPP开关,峰值光强为1.748MW/cm²时,其开关时间为0.38ps,开关比为97.8%。2.基于SPP模式分布特点,提出了银纳米环-介质-银膜结构SPP-Gap共振腔,有效地提高了Q值、减小了模体积;研究分析、优化参数后,V_eff和Q/V_eff分别达0.0083μm3和1.6×10⁴μm^-3。3.针对各向异性晶体之界面SPP物理及全光调控,理论分析了SPP在各向异性单轴晶体-金属界面的色散关系、传播特性,并设计了实验方案,实验验证了理论分析结果。基于此研究,利用棱镜-银膜-偶氮聚合结构实现了高对比度的SPP全光调制。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-15
第一章绪论  15-35
  1.1 表面等离子体激元(SPP)的基本性质概述  15-24
    1.1.1 金属介电常数的色散模型  16-17
    1.1.2 金属-介质界面处的表面等离子体激元  17-20
    1.1.3 表面等离子体激元的四个特征长度参数  20-22
    1.1.4 表面等离子体激元的激发方式  22-24
  1.2 表面等离子体激元共振腔简介  24-27
    1.2.1 光学共振腔简介  24-26
    1.2.2 表面等离子体激元共振腔理论介绍和研究现状  26-27
  1.3 表面等离子体激元非线性调控原理简介  27-30
  1.4 本论文的主要研究内容和章节安排  30-32
  参考文献  32-35
第二章金属-电介质-金属狭缝腔模及非线性调控研究  35-55
  2.1 金属-电介质-金属(M-D-M)基本单元结构的理论分析  35-39
  2.2 金属-非线性光学材料-金属(M-NLD-M) 狭缝的通道切换研究  39-46
    2.2.1 M-NLD-M 狭缝通道切换的理论模型  39-42
    2.2.2 M-NLD-M 狭缝结构通道切换器  42-46
  2.3 M-NLD-M 狭缝阵列全光分束器的研究  46-50
    2.3.1 M-NLD-M 狭缝偏振全光调控研究  46-48
    2.3.2 M-NLD-M 狭缝阵列全光分束器  48-50
  2.4 本章小结  50-52
  参考文献  52-55
第三章二维 SPP 闭腔结构腔模特性及其双稳开关研究  55-85
  3.1 边界积分方法简介  55-59
  3.2 弯曲金属-介质界面的 SPP 性质  59-63
  3.3 圆形 SPP 环腔特性研究  63-70
    3.3.1 圆形 SPP 环腔本征模式分析  64-67
    3.3.2 波导耦合激发圆形 SPP 环腔本征模式分析  67-70
  3.4 跑道形 SPP 环腔性质及双稳开关特性研究  70-81
    3.4.1 SPP 共振腔的高消光比研究  70-72
    3.4.2 跑道形 SPP 环腔的高消光比特性  72-76
    3.4.3 跑道形 SPP 环腔的高消光比双稳开关特性研究  76-81
  3.5 本章小结  81-82
  参考文献  82-85
第四章银纳米线及银纳米环 SPP 共振腔特性分析  85-107
  4.1 有限元方法简介  85-87
  4.2 银纳米线模式特性分析  87-98
    4.2.1 嵌在介质中银纳米线结构的模式分析  87-91
    4.2.2 银纳米线-介质衬底结构的模式分析  91-94
    4.2.3 银纳米线-介质-银膜结构的模式分析  94-98
  4.3 银纳米环-介质-银膜结构 SPP-Gap 共振腔  98-103
  4.4 本章小结  103-105
  参考文献  105-107
第五章各向异性材料-金属界面的 SPP 特性及其全光调制研究  107-125
  5.1 各向异性材料-金属界面的 SPP 色散关系理论分析  107-111
  5.2 各向异性材料-金属界面的 SPP 传播特性实验研究  111-118
    5.2.1 实验样品和装置  111-115
    5.2.2 实验结果和分析  115-118
  5.3 基于棱镜-银膜-偶氮聚合物结构的 SPP 全光调制实验  118-122
    5.3.1 实验样品制备和装置  118-119
    5.3.2 实验结果和讨论  119-122
  5.4 本章小结  122-124
  参考文献  124-125
第六章论文总结与展望  125-129
  6.1 主要研究工作  125-126
  6.2 展望  126-129
在读期间发表的学术论文  129-131
致谢  131-133

表面等离子体激元共振腔性质及全光调控研究

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