基于表面等離子體激元的微納波導(dǎo)的光控研究.pdf

1、為滿足高速和高密度信息技術(shù)的需求，近年來，基于表面等離子體激元的納米光子器件的研究呈現(xiàn)出迅猛發(fā)展的態(tài)勢(shì)，利用其對(duì)光波在亞波長(zhǎng)尺寸上進(jìn)行操縱與控制已經(jīng)成為國(guó)際上的研究熱點(diǎn)問題之一。表面等離子體激元(SurfacePlasmonPolaritons，SPPs)，是在外加電磁場(chǎng)的誘導(dǎo)下，沿著介電常數(shù)符號(hào)相反的兩種介質(zhì)分界面?zhèn)鬏數(shù)囊环N電磁表面波，其突出特點(diǎn)之一是能夠打破傳統(tǒng)光學(xué)器件波長(zhǎng)衍射極限的限制，將電磁能量聚集在納米尺度范圍內(nèi)，并且在金屬內(nèi)

2、部具有極短的穿透深度（納米級(jí)）。由于SPPs的亞波長(zhǎng)局域、近場(chǎng)增強(qiáng)等特性，在納米光子學(xué)中發(fā)揮著重要作用。目前世界上多個(gè)研究小組利用SPPs原理提出并在理論和實(shí)驗(yàn)上證明了金屬-介質(zhì)-金屬(MIM)型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有超強(qiáng)的納米光局域能力，并且在可見光區(qū)域內(nèi)傳輸損耗低，制造容易，更適合高密度集成。
　　本文主要利用離散偶極近似和時(shí)域有限差分這兩種理論計(jì)算的方法研究微納尺度的MIM功能型波導(dǎo)以及納米天線，主要工作包括以下四個(gè)方面:
　　

3、一、提出了一種新型的腔體-通道波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，理論上證明了光路在微納波導(dǎo)中的多次90°彎折。結(jié)構(gòu)中，腔體內(nèi)部引入的超薄金屬膜作為光吸收裝置，將更多的入射光能量耦合進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部;通道部分作為導(dǎo)波系統(tǒng)把光傳導(dǎo)出來。波導(dǎo)出口的位置及出口數(shù)量與光的傳播或截止關(guān)系也作了詳細(xì)地分析與闡述。該工作為微納米尺度的光控提供了一種新的方法并且有望應(yīng)用于光電器件的小型化。（第三章）
　　二、提出了一種光傳播方向控制型波導(dǎo)——內(nèi)嵌圓孔陣列的雙層銀膜波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。模

4、擬結(jié)果顯示:若圓孔陣列傾斜，在膜間距縮小到10nm時(shí)，該結(jié)構(gòu)具有超高的方向選擇性，且在結(jié)構(gòu)共振時(shí)可有效地控制光傳播方向;若圓孔陣列垂直雙層膜，光波能夠局域在截面積為10×20nm2的狹窄區(qū)域內(nèi)有效地傳播。此工作為亞波長(zhǎng)尺寸的光傳播方向控制與光壓縮器件設(shè)計(jì)提供了新的方法。（第四章）
　　三、在近場(chǎng)納米光刻掩模板的理論模型基礎(chǔ)上，增加了凹槽結(jié)構(gòu)，并對(duì)凹槽的參數(shù)及位置做了優(yōu)化并深入討論其物理機(jī)制，成功地將通道光刻的分辨率提高了3倍。加入

5、凹槽改變了光刻通道出口處的表面等離子體激元波的相位分布，因此優(yōu)化凹槽的參數(shù)可以達(dá)到有效地消除相鄰?fù)ǖ乐g干涉的目的，進(jìn)而縮短通道之間的距離，提高掩模板的光刻分辨率。該改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)可用于大面積高分辨率的光刻。（第五章）
　　四、對(duì)蝴蝶結(jié)納米天線的光學(xué)特性進(jìn)行了理論分析，將各個(gè)參數(shù)（張角、狹縫、頂端寬度、臂長(zhǎng)和厚度）對(duì)電場(chǎng)增強(qiáng)因子以及共振波長(zhǎng)的影響進(jìn)行了詳細(xì)地分析討論，并對(duì)比偶極天線的情況，探究其中的物理機(jī)制。該計(jì)算結(jié)果及所得出的結(jié)論