混合光子—表面等離子激元分子光學特性研究.pdf

1、與電子學器件相比，光子學器件具有高速、高帶寬和低能耗等優(yōu)點，在許多光學應用中扮演著非常重要的角色，例如低閾值半導體激光器、光開光、光信息處理和生物傳感等。但是，在實際應用中，光子學器件由于受到衍射極限的限制，其尺寸大都在百納米以上，與電子器件的尺度相差太大，極大的阻礙了光電子器件集成的發(fā)展。因此迫切的需要尋求發(fā)展具有能夠突破衍射極限的新機理和新技術來實現(xiàn)更高密度高性能的光電子集成。表面等離子激元的出現(xiàn)很好的解決了這一問題，它存在于金屬與

2、介質之間，能夠有效地增強電磁場的空間局域性和近場強度，從而可以突破光的衍射極限。近年來，研究者們發(fā)現(xiàn)基于表面等離子激元與介質微腔的雜化而形成的單個微腔結構不僅具有較高的品質因數(shù)和較小的模場體積，而且還能夠有效地降低器件尺寸，實現(xiàn)亞波長尺度的光限制，在光學器件領域展示出了極大的應用前景。而對于由兩個或者多個混合表面等離子激元的光學微腔組成的集群結構的光學性質，各個研究組并沒有開展更為深入細致的研究工作。
　　在整篇論文中，我們主要致

3、力于對混合光子-表面等離子激元光學微腔的耦合特性研究。大致做了以下兩個方面工作:
　　第一部分設計了一個基于硅/金屬材料的三明治形混合光子-表面等離子激元分子結構的光學微盤，研究了該結構中支持的混合回音壁光學模式特性，通過時域有限差法算法計算得到了混合微盤之間的耦合強度、分子結構的品質因數(shù)Q、模場體積Veff與兩個微盤耦合間距d的關系，發(fā)現(xiàn)并驗證了回音壁模式的劈裂現(xiàn)象。
　　第二部分研究了超小光子-表面等離子激元分子結構中各

4、個混合回音壁模式不同的遠場輻射特性，首先介紹了電磁場中近場到遠場轉換的基本原理。發(fā)現(xiàn)了混合光子-表面等離子激元分子結構在H平面通過改變角模式數(shù)的方法可以獲得顯著的方向性增強。
　　總之，相比于光子分子結構，我們設計研究的混合超小光子-表面等離子激元分子結構不但具有與光子分子結構類似的方向性輻射增強優(yōu)點，而且還可以突破衍射局限，進一步降低光子器件尺寸到亞波長維度，同時可以獲得較高的品質因數(shù)和較小的模場體積從而進一步降低回音壁模式激光