基于等離子體材料和硅的亞波長光子器件的研究.pdf

1、如何減小波導(dǎo)和器件的尺寸是如今集成光學中存在的一個關(guān)鍵問題。由于受到衍射極限的限制，光子學器件很難縮小到波長以下的范圍之內(nèi)。本論文旨在，從理論上和實驗上，研究一些亞波長以及納米尺度下的集成光子學器件，我們討論了用于減少光子學器件尺寸或者增加其功能性的一些方法，其中包括：基于硅納米線、光子晶體、表面等離子體的波導(dǎo)及其相關(guān)器件。 首先，我們詳細介紹了一些用于求解麥克斯韋方程組得數(shù)值計算方法，包括：時域有限差分法，以及仝矢量有限差分模

2、式解。前者可以用來處理光場與介質(zhì)結(jié)構(gòu)相互作用的問題；后者主要用來求解一個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的本征模式場分布和傳播常數(shù)。 接下來，我們對加工亞波長或納米集成光子學器件的工藝方法進行了回顧。這些工藝主要是基于超凈室的一些設(shè)備，其中主要包括：薄膜沉積、電子束光刻、以及刻蝕。提出了新型的無定形硅SOI結(jié)構(gòu)。分析了各個工藝參數(shù)對實際制作結(jié)構(gòu)的影響。我們還介紹了用于測試加工好的光子學器件的端面耦合測試方法。 我們在理論上研究了表面等離子體波

3、導(dǎo)及器件。使用表面等離子體波導(dǎo)可以將光場限制在真正意義上的亞波長范圍之內(nèi)。分析了一些相應(yīng)的非常小型的光子學器件，如：90°彎曲，定向耦合器，共振環(huán)濾波器。我們還通過一個實例，即：分支耦合器，驗證了使用微波理論來指導(dǎo)設(shè)計表面等離子體波器件的可能性，為表面等離子體波器件提供了一個全新的設(shè)計途徑。我們還分析了金屬包層的掃描近場光學探針的一‘些性質(zhì)，提出了對于等離子體探針的一種新型激勵方式。 我們研究了硅納米線波導(dǎo)以及相關(guān)器件。分析制作

4、了具有11nm和1.6nm通道間隔的陣列波導(dǎo)光柵(解)復(fù)用器。在該器件中，我們使用重疊型自由傳播區(qū)的設(shè)計，進一步減小了器件的尺寸。我們還設(shè)計制作了刻蝕衍射光柵器件。這些基于硅納米線波導(dǎo)的器件尺寸通常為幾百微米左右，比傳統(tǒng)的二氧化硅上的相應(yīng)期間縮小了1-2個數(shù)量級。研究了各種二維平板型光子晶體波導(dǎo)?；谝粋€具有負折射效應(yīng)的硅柱光子晶體，我們提出了一種新型的光子晶體偏振分束器設(shè)計。經(jīng)測試，該器件的工作波長范圍很大，而且在整個范圍內(nèi)的消光比都