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文檔簡介
1、微型化是近年來先進(jìn)光子技術(shù)和器件的重要發(fā)展方向,其中微納光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。通常,介質(zhì)材料具有低損耗等優(yōu)良光學(xué)特性,但其對光場的約束受到衍射極限的限制,而且介質(zhì)襯底材料易于對傳輸光場分布造成較大的影響.金屬材料可以通過將入射光波能量轉(zhuǎn)化為金屬表面自由電子的集群振蕩,具有深亞波長尺度約束以及可以同時(shí)傳輸光信號和電信號等優(yōu)點(diǎn),在微納光子學(xué)領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注,然而金屬材料在對光場具有強(qiáng)約束的同時(shí),不可避免地會產(chǎn)生很高的光學(xué)損耗
2、,引起嚴(yán)重的信號衰減和熱量產(chǎn)生等問題。如何在維持光場強(qiáng)約束的同時(shí)降低傳輸損耗,是目前深亞波長尺度光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)所面臨的關(guān)鍵問題之一?;谏鲜隹紤],我們提出使用金屬—介質(zhì)微納復(fù)合結(jié)構(gòu)(金屬支撐型微納光纖環(huán)、近場耦合型金屬—介質(zhì)納米線)來降低損耗并維持光場約束的方案,并成功地將其應(yīng)用于光學(xué)傳感器、分束器、干涉器、諧振腔等微納光子器件。
在本工作的第一部分,我們研制了金屬銅棒支撐型微光纖環(huán)形諧振腔。通過調(diào)節(jié)耦合系數(shù)平衡諧振腔的內(nèi)在損
3、耗,實(shí)現(xiàn)了臨界耦合狀態(tài),在臨界點(diǎn)附近獲得大約30dB的消光比,表明對于微納介質(zhì)光波導(dǎo)來說,利用金屬支撐的復(fù)合結(jié)構(gòu)是降低襯底材料對微納波導(dǎo)光場影響的有效途徑。實(shí)驗(yàn)中在480μm直徑環(huán)形諧振腔中獲得的品質(zhì)因子(Q值)達(dá)到4000以上,同時(shí),可以通過電流精確調(diào)節(jié)諧振腔特性。
作為上述復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用之一,我們研究了該類諧振腔在液體中的折射率光學(xué)傳感。通過測量諧振峰位移隨諧振腔所處環(huán)境折射率的改變,我們測量了低濃度酒精水溶液和高濃度
4、甘油水溶液的折射率,折射率測量的靈敏度分別達(dá)到了1.1×10-4和1.8×10-5,表明該類復(fù)合型諧振腔能夠同時(shí)用于低濃度和高濃度的液體折射率傳感,具有高穩(wěn)定性、高靈敏度、大動態(tài)范圍等優(yōu)點(diǎn)。
在本工作的第二部分,我們提出通過金屬—介質(zhì)納米線的近場耦合,實(shí)現(xiàn)強(qiáng)約束和低損耗復(fù)合光子結(jié)構(gòu)的方案。通過介質(zhì)波導(dǎo)傳輸模場與金屬表面等離子體結(jié)構(gòu)傳輸模場的充分重疊,實(shí)現(xiàn)了微納光纖、ZnO納米線與Ag納米線的高效率直接耦合。比如,通過220
5、nm的耦合長度,我們在單偏振方向上實(shí)現(xiàn)了650nm波長的光從ZnO納米線到Ag納米線高達(dá)82%的耦合效率。另外,我們還實(shí)現(xiàn)了一根ZnO納米線同時(shí)激發(fā)多根Ag納米線中表面等離子體波的耦合方式。
在此基礎(chǔ)上,我們采用Ag-ZnO納米線復(fù)合微納結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了偏振分束器、Mach-Zehnder干涉器和環(huán)形諧振腔等微納光子器件。對于耦合長度為200nm量級的偏振分束器,消光比的實(shí)驗(yàn)測量值約為12.7dB;對于58μm尺度的Mach-
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