微纳结构光子器件的光学传输特性研究

论文摘要

微纳光学技术是一门新近发展起来的技术,越来越受到世界各国的重视,而伴随该技术发展所产生的纳米光子器件更是成为了各国科研人员研究的热点。为了进一步探索微纳光子结构的功能,设计出性能优良的微纳光子器件,本文利用时域差分(FDTD)的数值计算方法,对光在微纳光子器件中的传输特性,包括聚焦特性,偏振及滤波特性进行了详细的研究,并根据研究结果提出了两种新型纳米光子器件,即纳米微孔光子筛器件和偏振滤波复合功能器件。本文详细分析了光在经过纳米微孔光子筛器件传输过程中电磁波的各个矢量场强的变化情况,研究了光子筛微孔孔径,光子筛环数,微孔密度调制函数以及金属层厚度等参数对光经过光子筛器件后的聚焦特性影响。理论发现利用纳米微孔光子筛可实现亚波长尺寸的聚焦。这种器件用纳米微孔阵列取代了传统的菲涅尔波带片,并采用切址函数对纳米孔阵列进行密度调制,突破了传统波带片的结构限制。采用时域差分算法对纳米微孔光子筛器件进行模拟后发现,纳米微孔光子筛聚焦平面处焦斑次级大背景强度减小为波带片聚焦平面处的五分之一,主极大呈现出极好的中心对称性,次级大也呈现了很好的空间对称性。克服了传统菲涅尔波带片的非对称聚焦及次极大背景过强的缺点。本文同时研究了纳米结构器件产生偏振和滤波复合功能的机理。提出了一种新型的兼有偏振和滤波复合功能特性的亚波长光子器件。利用时域差分(FDTD)的方法分析了纳米结构材料性质和尺寸,包括基底折射率,电介质过渡层折射率,电介质过渡层结构(光栅或薄膜),电介质过渡层厚度,金属光栅层厚度以及周期/占空比等参数对滤波和偏振特性的影响。通过对各个参数的优化设计,实现了由SiO2基底、金属光栅、电介质过渡层组成的单一多层亚波长结构同时具有滤波和偏振复合功能的构想。这种器件对集成光学和新一代平板显示等技术具有重要的意义。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 微结构聚焦研究现状
• 1.2.1 引言
• 1.2.2 变宽度金属纳米缝的亚波长聚焦
• 1.2.3 电介质纳米孔亚波长聚焦
• 1.2.4 纳米光纤光栅阵列亚波长聚焦
• 1.2.5 等离子体微纳波带片的亚波长聚焦
• 1.3 偏振和滤波光子器件研究现状
• 1.3.1 引言
• 1.3.2 亚波长硅光栅彩色滤波器
• 1.3.3 纳米金属光栅偏振器件
• 1.3.4 二维亚波长光栅滤波器件
• 1.4 本论文的主要工作
• 第二章 微结构光子器件中的基础原理和计算方法
• 2.1 表面等离子体共振理论
• 2.1.1 表面等离子体激元的色散关系
• 2.1.2 激发表面等离子体激元的方式
• 2.1.3 表面等离子体激元的四个特征长度参数
• 2.1.4 表面等离子体的效应
• 2.2 波导共振理论
• 2.3 时域差分数值计算方法
• 2.3.1 时域差分数值计算方法简介
• 2.3.2 时域差分法计算需要注意的问题
• 第三章 纳米微孔光子筛器件聚焦特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 纳米微孔光子筛亚波长聚焦理论分析
• 3.3 器件结构设计
• 3.4 FDTD 方法模拟分析纳米微孔光子筛亚波长聚焦特性
• 3.4.1 入射光通过纳米微孔光子筛后电磁场空间分布特点
• 3.4.2 纳米微孔光子筛环数的改变对亚波长聚焦现象的影响
• 3.4.3 纳米微孔光子筛孔径的改变对亚波长聚焦现象的影响
• 3.4.4 纳米微孔光子筛微孔密度调制改变亚波长聚焦现象的影响
• 3.4.5 纳米微孔光子筛金属层厚度改变对亚波长聚焦现象的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 偏振滤波复合功能器件光学传输特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 器件结构设计
• 4.3 FDTD 方法模拟分析光学传输特性
• 4.3.1 电介质过渡层材料的变化对光传输特性的影响
• 4.3.2 电介质过渡层厚度的变化对光学传输特性的影响
• 4.3.3 金属光栅层厚度的变化对光学传输特性的影响
• 4.3.4 金属光栅层占空比的变化对光学传输特性的影响
• 4.3.5 光栅周期的变化对光学传输特性的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间公开发表的论文
• 致谢