基于表面等离子激元的电磁诱导吸收机制及应用研究

论文摘要

表面等离子体激元（Surface Plasmons Polaritons,SPP）是金属中的自由电子和介质中的电磁场耦合震荡形成的沿金属表面传播的电磁波,由于其独特的局域场增强特性,可以把电磁波束缚在亚波长范围来突破衍射极限。因此SPP被大量应用到集成器件中,如滤波器、光开关、传感器等领域。在这些领域中,怎样按照人们的意愿来调控SPP在纳米结构中的传输是国内外学者长期关注的一个重要问题。实现SPP在光集成器件上的动态调控已经成为近几年的研究热点。等离子体激元诱导透明效应（Plasmon Induced Transparency,PIT）是电磁诱导透明的等离子体类似物,由于其独特的色散特性和应用前景而引起了极大的关注。与等离子体激元诱导透明效应相比,等离子体激元诱导吸收效应（Plasmon Induced Absorption,PIA）也源于明暗模式的相长干涉,导致在宽透射峰值内出现窄透射谷。PIA具有异常色散、独特的快光特性、窄线宽和吸收增强特性,在光学调制器、光学开关、吸收器、传感器、快光等领域有广泛应用。但是目前对PIA效应的动态调节研究较少,尤其是多PIA效应的理论研究和应用。本文主要针对两种不同结构,分别是金属-电介质-金属波导耦合谐振腔结构与石墨烯纳米带波导系统,来研究多PIA效应的理论及其动态可调性在逻辑门和传感器中的应用。本文具体研究工作包括以下几个方面:一、在金属-电介质-金属波导耦合谐振腔结构中,本文将明-暗-暗耦合模式引入传统耦合模理论中,推演出了多PIA效应的耦合模理论,数值模拟结果表明该理论具有高准确性和普适性。然后利用时域有限差分法解析耦合腔中电磁场的分布,用直接和间接耦合路径间的相长干涉解释了多PIA效应的产生机制。本文除了研究静态可调的结构参数对电磁诱导吸收现象的调控机制外,创新性的尝试了在耦合腔中填充Kerr材料和Polymethyl Methacrylate（PMMA）材料,通过利用光电效应改变泵浦光功率和利用热光效应改变温度来动态调制光学频谱。此基础上,本文进行了系统性的数值仿真和计算,分析光谱在功率传感器和光开关中的应用前景。此外,数值模拟证明温控材料PMMA的动态调制品质因数（Figure of Merit,FOM）可达1.7,该结构还可实现0.34ps的快光效应。二、在对石墨烯纳米带波导耦合腔结构的研究中,本文提出了基于可调谐等离子体激元诱导吸收效应的纳米级集成逻辑门和折射率传感器。除了解释单个PIA效应的直接和间接耦合机制之外,还针对双PIA效应推导出了三谐振器耦合波导系统理论。计算结果证明,通过调节石墨烯纳米带的费米能级可以实现PIA效应的波长和振幅的高可调性。从而结合干涉效应和中红外波段的PIA效应,在这种超紧凑结构中实现逻辑门。数值结果表明,对于耦合长度为60 nm的等离子体逻辑门,在小于0.06μm2的占位面积内可以实现高消光比（大于23.5dB）。此外,在该石墨烯波导系统中,预测可实现具有高达1870nm/RIU灵敏度的等离子体折射率传感器。综上,本文分别对两种不同结构中的PIA效应进行深入研究和分析,通过结合PIA效应的形成机理与光谱的动态可调性,构建了相应的物理模型,为动态调节PIA效应提供了理论基础。通过数值仿真研究获得动态可调的PIA效应的方法,为基于该效应的全光可调光子器件设计提供了实际指导,有助于促进PIA效应在光开关、光传感、快光、量子信息化等的应用进程。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
•   1.1 论文研究背景
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 表面等离子体概述
•     1.2.2 PIA效应的发展历史和现状
•   1.3 论文的内容安排和创新意义
• 第二章 理论基础与研究方法
•   2.1 缀饰态原子相干理论
•   2.2 石墨烯的电学和光学特性
•   2.3 数值仿真理论概述
•     2.3.1 有限元差分方法和Yee元胞
•     2.3.2 FDTD Solutions软件介绍
•   2.4 本章小结
• 第三章 MIM波导结构中的多电磁诱导吸收效应与调制
•   3.1 结构设计和理论
•     3.1.1 耦合谐振腔波导结构的设计
•     3.1.2 PIA效应的耦合模理论
•   3.2 多PIA效应的动态可调谐
•     3.2.1 基于结构参数的多PIA效应调节和应用
•     3.2.2 基于动态调节谐振腔材料的多PIA调节和应用
•   3.3 本章小结
• 第四章 石墨烯纳米条波导系统中的多电磁诱导吸收效应与应用
•   4.1 结构设计和理论
•     4.1.1 单PIA效应石墨烯超材料结构
•     4.1.2 多PIA效应石墨烯超材料结构
•   4.2 应用讨论与分析
•     4.2.1 逻辑门应用
•     4.2.2 传感器应用
•   4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 本文研究工作总结
•   5.2 下一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者攻读硕士学位期间发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 周金赞

导师: 徐坤

关键词: 表面等离子体,表面等离子体诱导吸收,石墨烯,逻辑门,光开关

来源: 北京邮电大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 北京邮电大学

分类号: O441.4

总页数: 65

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