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《北京交通大学》 2019年
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基于表面等离激元和声子极化的器件及波导特性研究

叶燊  
【摘要】:微纳光子学作为一门新兴科学,为未来集成化、小型化光器件及其组成系统的发展提供了新的指引方向。表面等离激元作为其研究领域的重要分支,在微纳光器件、能源利用、生物传感等领域均有重要的应用价值。石墨烯是一种具有良好电学、光学特性的二维材料,其支持的石墨烯表面等离激元具备优异的可调谐性、强大的场束缚能力以及较低的传输损耗。而六方氮化硼作为一种双曲色散特性的天然材料,其支持的声子极化激元更是具备比石墨烯更低的传输损耗特性。本论文的研究内容主要是利用石墨烯、六方氮化硼等材料结合金属光栅、硅光栅等结构提出了多种可调谐光器件、折射率传感器,并针对基于这些混合结构的波导进行传输特性分析及场束缚能力的研究。本论文主要的研究成果如下:(1)提出了一种基于金属银光栅-石墨烯-间隔层-金属银混合结构的中红外可调谐吸收器。通过调节金属银-空气光栅结构的几何参数和石墨烯费米能级,吸收峰的吸收率可以达到99.9%以上。将上述金属银-空气光栅中空气部分替换为折射率传感媒介,进一步提出一种灵敏度为2.3微米每折射率单位的中红外折射率传感器。(2)提出了一种基于石墨烯-间隔层-硅光栅混合结构的中红外可调谐窄带表面等离子体诱导透明(PIT)及慢光效应。通过调控硅光栅、间隔层和石墨烯的相关参数,PIT波峰的品质因数可以超过108,整个PIT窗口内的群时延能大于0.44 ps。进一步提出一种基于石墨烯-渐变周期硅光栅结构的慢光器件,其光捕获带宽可以达到约0.7微米。(3)提出了一种基于六方氮化硼(h-BN)-石墨烯-二氧化硅光栅结构的PIT系统。通过调节该结构的几何参数和石墨烯化学势,在reststrahlen(RS)高频波段内和RS波段外都能实现PIT效应。并且在RS高频波段内PIT窗口的群时延大于0.15 ps。进一步提出一种基于上述基础结构的折射率传感器,其在RS波段之外的灵敏度为0.336微米每折射率单位。(4)提出了一种基于石墨烯包覆h-BN纳米线对波导结构,该结构可以分别支持表面等离激元-声子极化混合模式和声子极化模式。研究结果表明表面等离激元-声子极化混合模式的最低阶模式具有比其他同类型模式更强大的场束缚能力和更低的传输损耗特性。通过调节衬底半径或者石墨烯费米能级,都能实现这种混合模式的最低阶模式超过105的场加强。(5)研究了石墨烯-h-BN三明治型圆波导结构。针对该结构中包含h-BN这种各向异性介电常数的材料,从麦克斯韦方程组出发推导出该材料区域横磁模式的电场分量和磁场分量之间的关系式。并且结合边界条件,进一步推导出该多层波导结构支持横磁模式的特征方程。(6)针对石墨烯-h-BN三明治型圆波导结构,研究了它的几何参数和石墨烯化学势分别与其支持的声子极化-声学表面等离激元混合模式和声子极化-光学表面等离激元混合模式的有效模式折射率实部和优良指数(FOM)之间的依赖关系。并分析了表面等离激元和声子极化激元的耦合对这两种混合模式色散特性的影响。通过调控石墨烯化学势,声子极化-声学表面等离激元混合模式的FOM可以超过180。
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TN252

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【参考文献】
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【共引文献】
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【二级参考文献】
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