等离激元诱导透明效应的研究与应用

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作者：

韩旭

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摘要：

等离激元诱导透明(Plasmon-induced transparency, PIT)效应是传统类电磁诱导透明效应与表面等离激元相结合的产物,由于表面等离激元可克服衍射极限,并具有强的局域场增强效应,因此基于PIT效应的光子器件具有非常紧凑的器件尺寸,其在光路集成,光学非线性增强,光学传感等诸多领域中得到了广泛的应用.然而,目前对动态可调的PIT效应的相关研究较少.本文分别对四种不同结构(金属-电介质-金属波导耦合谐振腔,石墨烯纳米条波导耦合谐振腔,石墨烯-金属光栅和平面超材料)中的动态可调的PIT效应进行研究,并将其应用在滤波器,光开关,传感器等光子器件中.本文具体研究工作包括以下几个方面: 一,在一个金属-电介质-金属波导边耦合纳米谐振腔结构中,我们将非线性光学克尔材料填充于波导或纳米谐振腔中,通过外界泵浦光控制波导的传输相移和谐振腔的谐振频率,理论及仿真研究系统中的低泵浦,超快且动态可调的PIT效应.在类似的结构中,我们将明-暗模式耦合原理和谐振腔内部模式之间的耦合引入至多PIT效应的形成中,通过改变外界泵浦光强度,可对多光学通道中的某一个(或多个)通道的透过率和群时延进行选择性动态调控,同时不影响其它光学通道的透过率和群时延,这在实际中具有灵活的应用前景.此外,在光通信波段,我们将多PIT效应应用在一个动态可调的四通道光学滤波器中.利用电子束蒸镀和聚焦离子束刻蚀,我们还对相关的实验工艺进行前期探索,在一定厚度的金膜上对金属光栅,金属波导和谐振腔进行较高精度的刻蚀.最后,对基于双金属-电介质-金属波导端耦合纳米谐振腔结构的折射率传感器,我们进行了系统性的数值仿真研究及分析. 二,我们对石墨烯纳米条波导耦合矩形谐振腔结构中的动态可调的PIT效应进行仿真及理论研究.研究表明,可通过明模谐振腔与暗模谐振腔间的直接近场耦合作用,或谐振腔之间的间接波导耦合作用,在系统的透射谱中形成PIT效应.通过对石墨烯化学势的灵活控制,可获得PIT透射窗的峰值幅度和中心波长的大范围调控.与其它研究方案相比,我们所设计的结构具有小尺寸,易于片上集成,工艺复杂度较低等优势.基于上述结构中的PIT效应,在中红外,我们对一种工作波长动态可调的折射率传感器进行仿真设计.数值仿真结果证明,该传感器具有较高的灵敏度和紧凑的结构尺寸.此外,利用石墨烯纳米条波导耦合矩形谐振腔结构,我们还对石墨烯电光逻辑门进行仿真研究,所设计的逻辑门能实现基本的AND/NOR,OR/NAND,XOR/XNOR功能,具有较高的消光比和紧凑的结构尺寸. 三,我们对覆盖了单层石墨烯的金属光栅结构进行研究.仿真结果证明:由于结构中不同模式之间的耦合作用,可在系统的反射谱中形成PIT效应.利用外界电压改变石墨烯的化学势,可对反射谱中的PIT效应进行动态调控,并可控制透射谱中双光学通道的幅度和带宽以及吸收谱中吸收峰的中心波长位置.为了降低系统响应时间,我们尝试通过外界泵浦光改变支撑层的折射率,同样可对反射谱中的PIT效应进行动态调控.除此之外,研究发现,随着入射光角度的增加,系统的反射率随之增加,并且伴随着吸收峰的压制和透过率的降低.与其它研究方案相比,我们所设计的结构的工艺复杂度较低. 四,我们对石墨烯平面超材料中动态可调的双PIT效应进行研究.我们所设计的石墨烯超材料的每个结构单元由五个石墨烯纳米条构成,其中三个纳米条表现为明模式,其它石墨烯纳米条表现为暗模式,明模式和暗模式之间的耦合作用在系统透射谱中形成双PIT效应.通过外界电压改变石墨烯的化学势可对双PIT效应进行动态调控.此外,我们还将双PIT效应应用在慢光和折射率传感中. 综上,本文分别对四种不同结构中的PIT效应进行深入研究和分析,通过将PIT效应的形成机理与石墨烯性质的动态可调性相结合,构建相应的物理模型,数值仿真研究获得动态可调的PIT效应的新方法.这些新方法为基于PIT效应的全光可调光子器件的设计提供理论指导,有助于开发出新型光子器件.

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关键词：

等离激元诱导透明效应 表面等离激元 石墨烯 金属波导 亚波长金属光栅 平面超材料

学位级别：

博士

学位年度：

2016

DOI：

10.7666/d.D01077946