基于表面等離子的微納光子器件及亞波長(zhǎng)空間孤子研究.pdf

1、進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),隨著微納加工工藝及數(shù)值模擬技術(shù)的提高,對(duì)金屬微結(jié)構(gòu)中表面等離子激元的研究取得了一系列令人矚目的進(jìn)展。表面等離子激元憑借其突破光學(xué)衍射極限、實(shí)現(xiàn)納米尺度光學(xué)聚焦的能力,在未來(lái)納米光通信和光子器件上具有良好的應(yīng)用潛力,正逐漸成為光子學(xué)最具吸引力的研究領(lǐng)域之一。當(dāng)前表面等離子光器件的發(fā)展處于初級(jí)階段,距離真正實(shí)現(xiàn)功能全面的集成納米光學(xué)系統(tǒng)尚有很多問(wèn)題需要解決。制約其發(fā)展的主要因素有三點(diǎn):一是金屬材料的吸收損耗導(dǎo)致器件效率降低

2、,并且往往光場(chǎng)限域能力越強(qiáng),損耗也越明顯;二是現(xiàn)有表面等離子波導(dǎo)與傳統(tǒng)硅基電介質(zhì)波導(dǎo)模耦合效率較低,阻礙了兩者的高效互連;三是需要找到在很小的空間尺度內(nèi)靈活有效地操縱表面等離子波的方法。本文針對(duì)這幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了探索,并獲得了一些有意義的結(jié)果。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴結(jié)合金屬納米線(xiàn)與硅基電介質(zhì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu),提出一種復(fù)合表面等離子波導(dǎo),在保持普通納米線(xiàn)深亞波長(zhǎng)光場(chǎng)尺寸的同時(shí)極大降低了傳輸損耗,從而顯著提升了包括交叉耦合、彎曲損耗以

3、及端面耦合效率在內(nèi)的波導(dǎo)集成化指標(biāo)。⑵理論分析了多模金屬-電介質(zhì)-金屬(MIM)波導(dǎo)內(nèi)的光學(xué)自成像效應(yīng),并通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)理論結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證;在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了長(zhǎng)度僅需數(shù)微米的超小型波分復(fù)用器件及定向耦合光路節(jié)點(diǎn),同時(shí)在低電壓下實(shí)現(xiàn)了對(duì)波導(dǎo)輸出端透射率的電光調(diào)制,大大降低了調(diào)制所需的能耗。⑶嚴(yán)格推導(dǎo)并求解了一維表面等離子晶格的電磁場(chǎng)本征值問(wèn)題,對(duì)一維晶格的光子帶隙結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)、波長(zhǎng)依賴(lài)特性進(jìn)行了研究;引入多分量自洽迭代算法,在非線(xiàn)性條件下獲

4、得了包含多個(gè)頻率元素的多帶矢量表面等離子孤子,詳細(xì)分析了分量間相互作用對(duì)孤子尺寸、傳輸長(zhǎng)度及動(dòng)力學(xué)演化特性影響。⑷研究了晶格的表面效應(yīng)對(duì)表面等離子孤子的影響,在不提高非線(xiàn)性強(qiáng)度的前提下,通過(guò)打破晶格連續(xù)性獲得了0.1λ以下的深亞波長(zhǎng)孤子態(tài),并對(duì)其存在條件和傳輸控制進(jìn)行了探討。⑸對(duì)二維表面等離子晶格內(nèi)的高階態(tài)孤子模式做了系統(tǒng)研究,利用耦合模理論揭示了亞波長(zhǎng)尺度下偶極子,四極子和“項(xiàng)鏈孤子”的存在條件、模式特征及傳輸穩(wěn)定性,對(duì)這些孤子在不同