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《北京交通大学》 2017年
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非线性可调谐表面等离激元器件的研究

高一晓  
【摘要】:表面等离激元可以实现将电磁波束缚在亚波长尺度,打破了光固有的衍射极限,使得在纳米尺度操控光波成为可能,并且在多种学科中有着前所未有的重要的应用,这一研究领域被统称为Plasmonics。在贵金属比如金和银以及一些新兴的材料比如石墨烯中支持具有较低损耗的表面等离激元。实现可调谐表面等离激元器件是近些年来表面等离激元研究领域的一个热点。表面等离激元现象会使在金属附近的电磁场得到显著的增强,从而可以让一些光学非线性效应在较低的功率下实现。本文主要针对表面等离激元在几种不同结构中的导波、非线性效应以及可调谐表面等离激元器件的应用进行了一系列深入的理论和仿真研究。本论文取得的主要研究成果与创新点如下:1.提出了一种基于石墨烯包覆介质纳米线表面等离波波导,其无边缘结构的特点可以避免类似于石墨烯纳米带的不规则边缘带来的散射损耗,实现低损耗的传输石墨烯表面等离波。建立了石墨烯包覆纳米线中表面等离波模式的解析模型,深入研究了石墨烯包覆纳米线的各项参数对色散特性的影响。利用一种半解析方法提出了高阶表面等离波模式的截止条件。2.提出并研究了石墨烯包覆纳米线对中的二次谐波产生。通过非共轭洛伦兹互易性定理建立了用于描述二次谐波产生过程的非线性耦合模方程。详细分析了石墨烯包覆纳米线对中的表面等离波模式特性,利用模式相位匹配的方法实现了高效的二次谐波产生,而且相位匹配条件可以通过控制石墨烯包覆纳米线对的间距在不同频率处实现。3.提出并研究了在一对单模石墨烯包覆纳米线中的非线性定向耦合的效应。通过非共轭洛伦兹互易性定理建立了用于描述非线性耦合过程的非线性耦合模方程。在单模石墨烯包覆纳米线对中的耦合行为可以通过输入光功率来控制。4.提出并研究了一种基于石墨烯Split-Ring谐振腔的可调谐表面等离波滤波器。石墨烯Split-Ring谐振腔中支持两种具有相反对称性的谐振模式而且两者对于Split-Ring结构的开口方向有不同的敏感性。该滤波器的滤波特性可以通过调节石墨烯Split-Ring谐振腔的多种参数来灵活控制。5.提出并研究了一种基于金-空气-金结构的缝隙Plasmonic波导的可调谐滤波器。通过在单模缝隙Plasmonic波导中引入周期性缺陷形成布拉格光栅结构。利用表面等离波模式对空气缝隙大小的敏感性,通过在两层金属之间施加可变静电场,使得金层在库仑力的作用下产生形变来调谐空气缝隙的大小,从而改变满足布拉格条件的谐振波长,实现一种可调谐表面等离波滤波器。6.提出并研究了一种在金-空气-金波导结构中基于多模干涉效应2x2光开关。利用多模区所支持的两个具有相反对称性的模式的模式折射率对空气缝隙改变的不同的敏感性,通过控制多模缝隙Plasmonic波导中空气缝隙的大小改变输出端两个模式之间的相位差,实现输出端在直通、交叉两种状态间的切换,实现了一种2x2光开关。
【关键词】:表面等离激元 石墨烯 金属-介质-金属 非线性光学 可调谐光器件
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O441;O485
【目录】:
  • 致谢5-6
  • 摘要6-8
  • ABSTRACT8-12
  • 1 绪论12-30
  • 1.1 引言12-13
  • 1.2 表面等离激元概况13-19
  • 1.2.1 表面等离激元的发展和特点13-17
  • 1.2.2 表面等离激元的应用和研究现状17-19
  • 1.3 石墨烯中的表面等离激元19-24
  • 1.3.1 石墨烯表面等离激元的发展和特点19-21
  • 1.3.2 石墨烯表面等离激元的应用和研究现状21-24
  • 1.4 可调谐Plasmonic器件概况24-26
  • 1.5 本论文的结构安排26-30
  • 2 石墨烯的电磁波理论基础30-36
  • 2.1 石墨烯的电磁性质30-32
  • 2.2 适用于石墨烯波导结构的非共轭洛伦兹互易性定理32-34
  • 2.3 石墨烯表面等离波的数值仿真方法34-36
  • 3 石墨烯包覆介质纳米线Plasmonic波导的研究36-52
  • 3.1 引言36-37
  • 3.2 解析模型37-41
  • 3.3 Plasmonic模式特性41-47
  • 3.4 普适色散关系47-49
  • 3.5 模式截止特性49-50
  • 3.6 本章小结50-52
  • 4 石墨烯包覆纳米线对中的二次谐波产生52-64
  • 4.1 引言52-53
  • 4.2 石墨烯包覆纳米线对中的模式特性53-56
  • 4.3 二次谐波产生的耦合模方程56-58
  • 4.4 结果分析和讨论58-62
  • 4.5 本章小结62-64
  • 5 基于石墨烯包覆纳米线的非线性耦合器64-74
  • 5.1 引言64
  • 5.2 理论模型64-66
  • 5.3 非线性耦合效应66-68
  • 5.4 结果分析和讨论68-72
  • 5.5 本章小结72-74
  • 6 基于石墨烯Split-Ring谐振腔的可调Plasmonic滤波器74-86
  • 6.1 引言74-75
  • 6.2 结构和仿真方法75-76
  • 6.3 仿真结果和讨论76-83
  • 6.4 本章小结83-86
  • 7 基于缝隙Plasmonic波导的可调谐光器件86-106
  • 7.1 引言86-87
  • 7.2 金属-介质-金属结构中的Plasmonic模式87-89
  • 7.3 可调谐Bragg光栅辅助型Plasmonic滤波器89-95
  • 7.3.1 结构和工作原理89-92
  • 7.3.2 结果和讨论92-95
  • 7.3.3 结论95
  • 7.4 基于模间干涉效应的可调2×2 Plasmonic光开关95-103
  • 7.4.1 结构和工作原理96-100
  • 7.4.2 结果和讨论100-103
  • 7.4.3 结论103
  • 7.5 本章小结103-106
  • 8 总结与展望106-110
  • 8.1 本论文的研究成果106-108
  • 8.2 下一步拟进行的工作108-110
  • 参考文献110-122
  • 作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果122-128
  • 学位论文数据集128

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