納米光學腔和波導設計及其光學特性研究.pdf

1、隨著納米加工技術(shù)及光電集成產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在納米量級控制和操縱光場已經(jīng)成為一個非常重要的發(fā)展方向。因此，發(fā)展體積更小、性能更優(yōu)的新型納米光學器件是目前國際前沿研究的一個熱點課題。表面等離子體由于其獨特的性質(zhì)引起了科研人員的廣泛關注。近年來，基于表面等離子體的各種納米光學器件也層出不窮。本論文設計了具有超小模式體積的表面等離子體納米光學共振腔、混合雙楔形表面等離子體波導、類楔形表面等離子體波導、以及具有亞波長模式局域性的全介質(zhì)波導，并運用有限

2、時域差分(FDTD)方法和有限元方法(FEM)方法研究了表面等離子體納米光學共振腔、表面等離子體波導、以及全介質(zhì)波導的光學特性。
　　本論文的主要研究工作如下:
　　1.編寫了計算電磁場在多層介質(zhì)中傳播和散射的Matlab程序，利用該Matlab程序?qū)崿F(xiàn)了對電磁場在三層介質(zhì)中傳播和散射問題的計算，解決了金屬接觸到完美匹配層(PML)邊界時計算結(jié)果發(fā)散的問題。
　　2.根據(jù)對表面等離子體特性的了解，設計了一種基于表面等離

3、子體的納米光學共振腔，用FDTD、DDA、以及FEM等多種方法研究了該表面等離子體納米光學共振腔的光學性質(zhì)，計算了該表面等離子體納米光學共振腔的Purcell因子、品質(zhì)因子、以及模式體積，分析了表面等離子體納米光學共振腔中的共振模式，研究了納米腔腔材料的光學常數(shù)對納米腔性質(zhì)的影響，討論了包含二氧化硅基底時的效應。
　　3.在充分了解各種納米光學波導結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上，設計了性能更優(yōu)的混合雙楔形表面等離子體波導、類楔形表面等離子體

4、波導、全介質(zhì)蝴蝶結(jié)波導、以及全介質(zhì)納米線波導，利用FEM研究了這些波導的光學特性。
　　本論文的創(chuàng)新點和特色:
　　1.設計了一種具有超小模式體積的表面等離子體納米光學共振腔，該表面等離子體納米光學共振腔在獲得超小模式體積的同時還可以得到較大的Purcell因子和較高的品質(zhì)因子，這對今后自發(fā)輻射增強的研究具有一定的指導意義。
　　2.設計了一種混合雙楔形表面等離子體波導，該表面等離子體波導在保證一定傳播長度的情況下可以

5、得到超小的歸一化模式面積或者在保證一定模式局域性的情況下可以得到較長的傳播距離，而且該混合雙楔形表面等離子體波導具有一定的制作容差性，使其可廣泛應用于高集成光子電路、光學捕獲、及納米激光器等方面。
　　3.基于不同介質(zhì)交界面處電位移法向分量和電場切向分量的連續(xù)性設計了全介質(zhì)波導，在一個波導結(jié)構(gòu)中同時實現(xiàn)了亞波長模式局域性和理論上沒有損耗的傳播，克服了表面等離子體波導傳輸損耗大和傳統(tǒng)電介質(zhì)波導模式局域性差的缺陷，對今后納米光學器件的