金属狭缝SPP模式与介质波导模式耦合特性的研究

论文摘要

表面等离子激元（SPP）具有一系列新颖的特性，在集成光路、生化传感、能源等领域有着重要的应用前景。其中，狭缝型表面等离子激元（SlotSPP），以其高度局域的模场特性在实现纳尺度光电器件以及高灵敏度传感器件上有着独特的优势。本论文对Slot SPP模式的激励、传输、耦合及其传感特性进行了理论与实验研究。提出了一种由Slot SPP波导与传统介质波导组成的垂直耦合结构。利用有限元方法和模式展开法，研究了Slot SPP模式与介质波导模式的耦合特性。理论分析结果表明，介质波导的TE模式可以在数微米传播长度内耦合为Slot SPP模式，从而可以将真空波长为1550nm的光波压缩至尺寸仅为约55纳米的金属狭缝中。这一结构不仅提供了一种可集成的、高效率的Slot SPP模式激励方法，还使得有效连接Slot SPP器件和介质波导器件成为可能。基于该Slot SPP－介质波导耦合结构，提出了一种针对数十纳米量级薄层折射率传感的新方案。在不同探测层厚度和结构参数的情况下，对折射率传感特性进行了仿真。理论分析表明，当探测层厚度仅为70nm时，传感分辨率仍可达3.5×10-6RIU，并可通过改变结构参数有效调节传感范围和传感分辨率。探索了Slot SPP―介质波导垂直耦合结构的制备工艺。采用聚焦离子束刻蚀工艺，制备了狭缝宽度由40nm到200nm的Slot SPP波导；选用SU-8胶做为Si波导与Slot SPP波导之间的填充层，采用甩胶、固化的工艺步骤，解决了Si波导台阶上填充不严实、覆盖不平整的问题。上述工艺进展为进一步实现SlotSPP―介质波导垂直耦合结构打下了坚实的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景
• 1.2.1 表面等离子激元
• 1.2.2 金属狭缝 SPP 波导
• 1.3 Slot SPP 研究的关键问题及相关应用
• 1.3.1 Slot SPP 的激励
• 1.3.2 Slot SPP 应用于折射率传感
• 1.4 本论文主要研究内容和创新点
• 第2章 Slot SPP 波导模式特性分析
• 2.1 引言
• 2.2 二维 MIM 结构的模式特性
• 2.2.1 二维 MIM 结构模式的理论分析方法
• 2.2.2 二维 MIM 结构的模式特性分析
• 2.3 三维 Slot SPP 波导的模式特性
• 2.3.1 基于有限元方法的本征模式求解
• 2.3.2 Slot SPP 模式与结构参数的关系
• 2.4 本章小结
• 第3章 Slot SPP 模式与介质波导模式的耦合特性
• 3.1 引言
• 3.2 Slot SPP 波导与介质波导垂直耦合结构
• 3.3 耦合结构本征模式
• 3.3.1 TE 本征模式
• 3.3.2 TM 本征模式
• 3.4 耦合特性分析
• 3.4.1 TE 偏振
• 3.4.2 TM 偏振
• 3.5 Slot SPP 模式的激励效率
• 3.6 本章小结
• 第4章 Slot SPP 模式与介质波导模式耦合的折射率相关性
• 4.1 引言
• 4.2 基于耦合器的折射率传感结构
• 4.3 耦合结构的折射率传感特性
• 4.3.1 较厚探测层的折射率传感
• 4.3.2 超薄探测层的折射率传感
• 4.4 折射率传感特性与结构参数的关系
• 4.4.1 介质波导宽度 Wd的影响
• 4.4.2 两波导间距 D 的影响
• 4.4.3 金属膜厚度 Tm的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 垂直耦合结构的制备工艺
• 5.1 引言
• 5.2 耦合结构制备工艺
• 5.2.1 耦合结构填充层的制备
• 5.2.2 Slot SPP 波导的套刻
• 5.3 套刻偏差对耦合特性的影响
• 5.4 本章小结
• 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果