平面光栅阵列纳米尺度光子控制及其应用技术研究

论文摘要

目前,实现纳米尺度的光学控制主要有两种方法,一种方法是利用周期性的光子晶体结构控制光的色散和传播性质。另一种方法是利用表面等离子体激元约束光的传播和分布。尽管光栅是控制光路的基本元件,研究比较完备,但是多个光栅的微纳量级的排列所具有的控光效应还缺乏深入细致的研究。本论文在973前期专项项目(No.2005CCA04200)“纳米光电子器件基础研究”和国家自然科学基金项目(No.60807017)“基于局域场拉曼增强效应的分布式光纤气敏传感技术研究”支持下,开展了基于平面介质栅阵列的光子晶体结构和级联的亚波长平面介质栅结构创新研究,主要的研究工作如下：(1)提出了平面介质栅为基本单元的正方点阵二维光子晶体结构。结合基本单元的特征,理论推导了对电场分量展开的平面波算法公式,相应的计算程序能够重复相关文献的结果,并且发现基于电场展开的平面波方法收敛更快。理论计算了三种典型调制条件的光子带隙图,降低构成光子晶体的基本单元的折射率对称性,可以有效打开TE模的高对称点处的能带,从而获得绝对带隙。也讨论了本模型在实际中受到限制的调制项——折射率调制度,对绝对带隙宽度的影响。结果表明,基于平面介质栅正方形阵列的光子晶体,易于形成大的绝对带隙,比采用其他复合结构光子晶体更简便。(2)研究了基于二维正方晶格的光子晶体压力传感器。本文采用经典的平面波展开法计算了横向禁带特性与外界压力的关系,模拟结果表明我们设计的光子晶体压力传感器具有高的压力灵敏度,宽广的压力调节范围,可以承受高达40GPa的压力。(3)提出了级联亚波长平面介质栅这一新颖结构,并扩展了严格耦合波方法使之能处理两层光栅结构。为了计算该结构的衍射特性,我们首先利用严格耦合波方法研究推导了标准三层平面介质栅衍射公式,重复了相关文献的结果,验证了对严格耦合波方法理解的正确性。在此基础上扩展了严格耦合波方法,将严格耦合波方法扩展到处理二层光栅的情况。并利用数值计算的方法研究了该结构的衍射特性及近场场量分布图。该结构有多波长共振特性且有表面等离子共振引起的透射增强效应和导模共振引起的透射增强效应。也比较了四层单光栅结构和五层级联结构的衍射特性,发现不论是纳米级的金属连接层还是介质连接层的级联光栅,由于对称性可以让连接层两侧的导模或者表面等离子模互作用,使得透射或反射大大增强。利用光栅级联结构的这种新颖的衍射特性,可以设计各种光电子器件。(4)提出了基于级联亚波长平面光栅的宽光谱偏振分束器。由于级联亚波长平面光栅的多波长共振特性和透射增强效应,通过适当的参数设计可以同时获得宽的TM偏振透射谱和TE偏振反射谱。设计思想就是通过选取适当的参数,使得多个共振峰互相靠近,连成一片,就可得到宽的共振光谱,当然最高的共振峰会降低一点。适当的参数设计可以使偏振分束器的带宽为20nm左右,如果只需设计成TM透射偏振器,则带宽扩展为50nm左右。也讨论了各个光栅参数对性能的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 基于光子晶体的光子控制
• 1.3 基于表面等离子激元的光子控制
• 1.4 纳米光子学展望
• 1.5 本论文的研究内容
• 2 基于平面介质栅的二维正方点阵光子晶体及传感研究
• 2.1 引言
• 2.2 基于平面介质栅二维正方点阵的光子晶体模型
• 2.3 基于电场分量的平面波展开法
• 2.4 数值分析与讨论
• 2.5 正方点阵二维光子晶体压力传感器设计
• 2.6 小结
• 3 级联的亚波长平面介质光栅的衍射特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 单层平面介质光栅的严格耦合波方法简介
• 3.3 亚波长平面介质光栅加纳米厚度膜结构的严格耦合波理论推导
• 3.4 级联的亚波长平面介质光栅结构的严格耦合波理论推导
• 3.5 级联的亚波长平面介质光栅结构的衍射特性研究
• 3.6 小结
• 4 级联的亚波长平面介质栅的应用研究
• 4.1 引言
• 4.2 基于级联的亚波长平面介质栅的宽带偏振分束器原理
• 4.3 光栅参数对偏振分束器性能的影响
• 4.4 小结
• 5 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士期间发表论文目录