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《浙江大学》 2015年
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基于光子晶体和人造表面等离子体的谐振腔器件研究

葛潇尘  
【摘要】:光子晶体是一种周期性的亚波长介质结构,与半导体晶体材料可以控制电子类似,光子晶体可以控制光子的运动和行为。人造表面等离子体是光波段表面等离子体在太赫兹和微波段的类比。光子晶体和人造表面等离子体都是亚波长的周期性结构,可以用来设计实现具备特异性质的器件。本文的工作包含了几种基于光波段的光子晶体和微波段的人造表面等离子体的新型谐振腔器件在理论与实验上的研究。理论方法方面,介绍了光子晶体仿真所用的平面波展开法和有限差分时域法。实验方面,对于工作在可见光和近红外波段的亚波长结构光子晶体,纳米加工技术是极其重要的。本文介绍了基于硅的纳米加工工艺流程,并讨论了对于制备光子晶体所需要的邻近效应校正技术以及对制备用于传感的悬挂结构所需的湿法腐蚀工艺中的几个问题。通过人造表面等离子体和光子晶体混合结构可以实现具有负等效折射率的材料,并用于设计和实验实现开放腔。开放腔是一种应用负折射材料性质所提出的概念,由于谐振模式与外界环境有较大的重叠,在传感和激光器方面有一定应用潜力。本文中实现的开放腔工作在微波段,类似的思路也可以在太赫兹实现。同时还讨论了在光波段实现开放腔的可能方案。耦合器是波分复用系统中的重要元件。基于简并耦合模式的隧穿效应,可以利用纳米梁光子晶体微腔设计尺寸紧凑的耦合器,并且通过实验验证了这一设计。本文提出的器件在极小的尺寸下具备良好的性能以及较低的损耗,除此之外,相比于常见的微环谐振腔,这一器件具有不受自由谱范围限制的优点。慢光波导通过减慢在其中传播的模式的群速度来增强光与物质的相互作用。通过引入渐变结构还可以将光限制在其中形成谐振腔。本文利用基于负折射率光子晶体慢光波导的微腔提出并实验制备了一种折射率传感器。通过数值仿真可以得到此传感器的灵敏度达到770nm/RIU。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TN629.1;O734

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