表面等離子體激元(SPPs)模式可將電磁能量傳遞至突破光學(xué)衍射極限的納米尺度體積內(nèi),因此在納米光子學(xué)領(lǐng)域引起了廣泛的研究興趣。然而,由于表面等離激元固有的偏振依賴性,利用TE偏振入射光激發(fā)表面等離激元是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。此外,由于貴金屬固有的歐姆損耗限制了表面等離激元的傳輸距離,這使得等離激元納米結(jié)構(gòu)的集成應(yīng)用遇到阻礙。本文提出并設(shè)計(jì)了一種基于金屬-電介質(zhì)-金屬夾層結(jié)構(gòu)的等離激元光波轉(zhuǎn)向聚焦器。器件中以硅基波導(dǎo)作為載體的TE偏振光經(jīng)過(guò)夾層結(jié)構(gòu)的耦合實(shí)現(xiàn)了表面等離激元的定向激發(fā),最終確保了高效率的光波垂直轉(zhuǎn)向和高場(chǎng)強(qiáng)納米聚焦。這項(xiàng)工作為集成化的多重納米聚焦應(yīng)用諸如芯片捕獲、傳感和等離激元功能性元件加工等開辟了新的途徑。本文基于混合金屬-電介質(zhì)-金屬夾層結(jié)構(gòu)對(duì)硅基光子器件進(jìn)行了理論研究,主要分為如下兩大部分進(jìn)行闡述:第一部分工作主要是提出、設(shè)計(jì)并研究了混合金屬-電介質(zhì)-金屬夾層結(jié)構(gòu),具體內(nèi)容有:1.利用有限元方法在全頻率范圍內(nèi)分別對(duì)自由空間中單銀帶和由硅基襯底支撐的單銀帶進(jìn)行模式分析,繪出并對(duì)比分析這兩種不同情況下不同頻段所對(duì)應(yīng)的不同初級(jí)模式,同時(shí)闡明由硅基襯底介導(dǎo)耦合產(chǎn)生的新的單銀帶雜化模式。2.通過(guò)鏡像電荷分布闡明由硅基襯底支撐的多銀帶之間產(chǎn)生的耦合作用,并輔之以超模分析,最終得出硅基襯底上多銀帶通過(guò)耦合產(chǎn)生的不同超模。3.為了增加硅基襯底上各個(gè)銀帶之間的耦合效率,在其頂部增加一層特定厚度的銀板形成金屬-電介質(zhì)-金屬夾層結(jié)構(gòu)�；隈詈夏＠碚撚�(jì)算最佳參數(shù)配置下該夾層結(jié)構(gòu)的最小耦合長(zhǎng)度以確保其實(shí)現(xiàn)最小尺寸下的集成化應(yīng)用。最后通過(guò)對(duì)該夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維仿真模擬得出的電場(chǎng)分布圖的分析,闡明該配置下表面等離子體激元的激發(fā)機(jī)制。第二部分工作主要是基于混合金屬-電介質(zhì)-金屬夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種等離激元光波轉(zhuǎn)向聚焦器,并對(duì)該器件的整體耦合效率及聚焦性能進(jìn)行了深入研究。具體內(nèi)容有:1.通過(guò)引入側(cè)向銀錐結(jié)構(gòu),使得由混合金屬-電介質(zhì)-金屬夾層結(jié)構(gòu)激發(fā)出的表面等離子體激元沿著銀錐邊緣傳播,并最終在錐尖處實(shí)現(xiàn)納米聚焦。2.針對(duì)在整個(gè)耦合過(guò)程中出現(xiàn)的損耗模式和后向反射,引入時(shí)間平均坡印亭矢量計(jì)算不同參數(shù)配置下的器件的耦合效率�；谄骷母咝兽D(zhuǎn)向聚焦,通過(guò)一系列參數(shù)(絕熱參數(shù),群/相速度,場(chǎng)振幅增強(qiáng)因子以及模式寬度等)的引入,對(duì)器件的納米聚焦性能進(jìn)行綜合評(píng)估。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有:1.利用TE偏振光實(shí)現(xiàn)了芯片上的表面等離子體激元的高效率定向激發(fā)。提出混合金屬-電介質(zhì)-金屬夾層結(jié)構(gòu)克服了限制SPPs傳輸距離的貴金屬歐姆損耗問(wèn)題,最終實(shí)現(xiàn)了光波的高場(chǎng)強(qiáng)納米聚焦。2.提出了針對(duì)芯片上單個(gè)/多個(gè)金屬帶模式耦合的一套完整的基底介導(dǎo)耦合分析理論。對(duì)于芯片上復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模式分析,首次提出采用整體分析與局部分析相結(jié)合的相輔相成的模式分析方法。
【學(xué)位單位】：南開大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O43;TB33
【部分圖文】：

圖 1.1 (a) 金屬/介質(zhì)界面的表面等離子體激元的共振耦合示意圖。(b) 表面等離子體激元的色散關(guān)系曲線。(c) 金屬/介質(zhì)界面的表面等離子體激元在 z 方向的電場(chǎng)分布[9]。圖 1.1(b) 顯示了入射光和表面等離子體激元的色散曲線。由圖可知，在任意頻率處兩條曲線均不存在交點(diǎn)，即表面等離子體激元的色散曲線始終處于入

圖 1.2 激發(fā)表面等離子體激元的波矢補(bǔ)償示意圖。 分別通過(guò) (a) 減小介質(zhì)中 light line 斜率和 (b) 引入額外位移量的方式達(dá)到 SPPs 色散關(guān)系補(bǔ)償?shù)男Ч�。棱鏡耦合是表面等離子體激元光學(xué)激發(fā)最常用的方法[7,10,11]，其中，最著名的利用全反射原理激發(fā)表面等離子體激元的是 Kretschmann 和 Otto 模型[6,7]。如

表面等離子體激元還可以通過(guò)光波導(dǎo)中傳導(dǎo)的光波來(lái)激發(fā)。這種方法如圖1.3(d,e)所示，光以導(dǎo)模的形式在波導(dǎo)中傳播，導(dǎo)模的電磁場(chǎng)主要集中在波導(dǎo)層中，同時(shí)一部分場(chǎng)以倏逝波的形式在圍繞波導(dǎo)層的低折射率介質(zhì)中傳播。當(dāng)光波進(jìn)入含有金屬層的波導(dǎo)區(qū)域時(shí)，倏逝波在金屬層的外邊界激發(fā)出表面等離子體激元。如式(1.13)所示 mode Re (1.13)當(dāng)兩個(gè)電磁波的傳播常數(shù)相等時(shí)，導(dǎo)模和表面等離子體激元的耦合條件就滿足了，式(1.13)中的 mode代表波導(dǎo)模式的傳播常數(shù)。表面等離子體激元光激發(fā)的另一種方法是通過(guò)在金屬表面刻上周期性分布的凹槽光柵。如圖 1.3(f)所示，在這種方法中，光波從電介質(zhì)入射到金屬光柵上，如果平行于光柵表面的衍射光的動(dòng)量等于表面等離子體的傳播常數(shù)，則衍射光可以耦合到表面等離子體。如式(1.14)所示 d2 2n sin mRe (1.14)其中 m 是整數(shù)并且表示衍射級(jí)，Λ 是光柵周期[12]。通過(guò)改變刻槽的深度、槽與金屬邊緣距離、金屬膜厚度和光柵周期等參量，可以調(diào)控表面等離子體激元的激發(fā)狀態(tài)和效率。利用光柵可以實(shí)現(xiàn)光波到等離子體激元的耦合，反過(guò)來(lái)，光柵也可以起到解耦合的作用，即受調(diào)制產(chǎn)生的表面等離子體激元可以與光波發(fā)生耦合并產(chǎn)生輻射。除此之外，通過(guò)設(shè)計(jì)不同形狀、方向和組合的柵結(jié)構(gòu)也可以實(shí)現(xiàn)等離子體激元的干涉和納米聚焦。值得一提的是，?

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