检索结果-南通市图书馆

作者：范瑞钦哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

二氧化钛是一种非常有应用前景的材料。拥有独特的光催化特性,更有着非常好的光学性质,如折射率高、可见光到红外的宽透明窗口、低双光子吸收和高非线性能力。除此之外,借由镀膜和刻蚀工艺,二氧化钛能够做到片上集成,实现高性能的非线... 详细信息

二氧化钛是一种非常有应用前景的材料。拥有独特的光催化特性,更有着非常好的光学性质,如折射率高、可见光到红外的宽透明窗口、低双光子吸收和高非线性能力。除此之外,借由镀膜和刻蚀工艺,二氧化钛能够做到片上集成,实现高性能的非线性应用,如超连续、光频梳;或是实现二氧化钛超表面,应用在如结构色、超透镜、增强光催化等方面;同时也能够应用在回音壁光学微腔中,利用高Q值的二氧化钛光学微腔,实现如增强与物质相互作用,光学传感等应用。二氧化钛的片上集成器件的制备可以采用磁控溅射、原子层沉积等方法自下而上制备,也可以采用自上而下的半导体工艺流程。考虑与CMOS工艺的兼容性,本文采用了自上而下的半导体工艺。首先我们利用真空电子束蒸镀机制备了Ti O2薄膜,在文中给出了详细的制备过程,对制备好的薄膜晶相与光学性质做了表征给出了表征结果。随后我们讨论了金属掩模的剥离工艺和蒸镀工艺的优化,给出了优化结果。在简要介绍ICP刻蚀原理后,分析了ICP刻蚀的各个工艺参数如气体压力、ICP源功率、射频源功率以及刻蚀时间等对刻蚀的深度、侧壁的倾角、垂直度等因素的影响,给出了详细的优化过程和优化结果。利用优化后的刻蚀工艺,我们并制备了Ti O2波导与微环,本文首先对回音壁光学微腔的模式特性进行了分析,讨论了回音壁微腔内的重要参数。随后介绍了二氧化钛波导微环实验的实验装置,通过利用Ti O2光栅定向耦合器或是透镜光纤进行末端直接耦合的方法测量微环的Q值,实验测得我们制备的Ti O2回音壁光学微腔的透射光谱数据,通过洛伦兹拟合,经计算Ti O2微环的品质因子能达到3万以上。为了实现对波导内传输模式进行调控,我们引入了梯度超表面。超表面由一系列的二维微纳结构组成。当光入射在微纳结构上是,由于微纳结构的散射作用,使得出射光相较于入射光产生了一定的振幅和相位变化。经过微纳结构的尺寸、形状、排布特殊设计,就能够对光的传播进行调控。本文通过在Ti O2波导上设计硅天线微纳阵列,利用微纳天线阵列的集体散射效应为波导内的传输模式提供一个等效波矢6)eff,从而实现对波导内的模式进行调控。本文提出了1.2μm宽,0.8μm厚的波导传输的TE基模转化成TM基模的天线阵列设计,并给出了仿真结果。

关键词：二氧化钛波导 ICP刻蚀梯度超表面微环谐振器

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基于二氧化钛超表面的涡旋激光阵列研究

基于二氧化钛超表面的涡旋激光阵列研究

作者：张辉哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

涡旋光束因具有螺旋的等相位面、携带轨道角动量、且不同拓扑荷数之间正交等特性,在光学微操纵、光通信等方面具有重要作用。片上集成的微纳米级涡旋激光器是未来满足信息容量指数需求增长的关键元件,而对可调谐涡旋微激光器的研究,仍... 详细信息

涡旋光束因具有螺旋的等相位面、携带轨道角动量、且不同拓扑荷数之间正交等特性,在光学微操纵、光通信等方面具有重要作用。片上集成的微纳米级涡旋激光器是未来满足信息容量指数需求增长的关键元件,而对可调谐涡旋微激光器的研究,仍需要额外的多路复用才能实现不同的拓扑荷数改变。作为近些年半导体微纳材料研究热点之一,钙钛矿单晶因其优异的光学特性越来越受到研究人员的重视。但由于钙钛矿微米线横截面的方形微腔出射的回音壁模式(Whispering Gallery Mode,WGM)激光基本为线性偏振光,导致其在许多应用场合受到限制,对单个微型光源出射光场的精确调控也有待于进一步提高。超透镜具有超薄、超轻、低能耗,可对光波前相位灵活调控的优势,易用于光场调控的小型化与集成化。因此,本文提出将钙钛矿微米线与超透镜结合,利用超透镜对微米线激光器出射光场调控,实现相干涡旋激光阵列的出射。通过采用Pancharatnan-Berry相位与传输相位原理,在对超透镜的功能分析后设计得到能够实现拓扑荷数可控的超透镜,并通过数值计算软件验证其功能,表明自旋轨道转换能够使TiO超透镜将两个轨道角动量光束转换为具有相反圆偏振的相同衍射极限点。因此,可分解为两个圆偏振光的焦点处的激光在通过超透镜后准直为具有两个不同拓扑荷数的涡旋激光出射。通过引入离轴项,将这一概念推广到2?2的超透镜阵列,即可同时得到8个具有不同拓扑荷数的涡旋光出射。通过微纳制备加工工艺实现超透镜与超透镜阵列的制备,并搭建光路对制备得到的超透镜(阵列)进行光学性能表征,验证功能。钙钛矿微米线的制备通过溶液法实现,同样搭建光路实现其光学性能表征。在完成超透镜的设计、数值仿真验证、工艺制备、光学性能表征以及钙钛矿微米线的制备和光学表征之后,将二者结合,用倍频后的飞秒光泵浦微米线实现WGM光激射,通过在超透镜(阵列)出射端选择不同旋向的圆偏振光可得到不同拓扑荷数的涡旋光(阵列)出射。相对于传统生成涡旋激光阵列的方法,该方法在实现不同拓扑荷数涡旋激光出射的同时,能够保持时间相干性较好且集成度良好,为下一代的多维多路复用技术提供坚实的基础。

关键词：超透镜涡旋光拓扑荷数偏振选择卤化铅钙钛矿

基于混合等离子体的纳米腔中激光定向出射的研究

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基于混合等离子体的纳米腔中激光定向出射的研究

作者：王瑜哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

纳米腔是一种尺寸在纳米数量级的谐振腔,它的原理是在折射率不连续的介质表面上的反射、衍射或者全反射等效应,把光约束限制在一个纳米尺寸的区域内。纳米腔在光通信器件和激光器等领域具有广泛而有前景的应用价值。近年来,表面等离子... 详细信息

纳米腔是一种尺寸在纳米数量级的谐振腔,它的原理是在折射率不连续的介质表面上的反射、衍射或者全反射等效应,把光约束限制在一个纳米尺寸的区域内。纳米腔在光通信器件和激光器等领域具有广泛而有前景的应用价值。近年来,表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)的混合等离子激元纳米激光器吸引着广大科研工作者的注意。它能够突破衍射极限,在远低于其衍射限制的情况下产生和维持光。其强烈、相干而且具有限制能力的光场,可以显著提高光与物质的相互作用,并且从根本上为生物传感、数据存储、光刻和光通信等领域带来新的功能。然而现有的激光设计通常依赖于化学方法合成的纳米线和纳米微盘实现。这些化学合成的材料具有单晶等一系列优点,但是其缺点也很明显。这些结构通常在基片上是随机分布的,不适合于和片上的集成光回路之间的对接;同时,化学合成材料的形状通常固定在特定的形状,不具有好的方向性出射。为了解决这些问题,我们在论文中针对自上而下的物理制备过程设计了一种基于半导体-绝缘体-金属的混合表面等离子纳米腔,着重研究了制备过程中不可避免的因素,例如表面粗糙度,形变对于纳米腔性质的影响,并最终得到了一种具有高适应性的单向平面内发射的纳米激光器的设计。本论文集中研究了混合等离子体纳米腔的构型和激光出射特性,设计并仿真了一系列不同类型的纳米腔,同时仿真研究了纳米腔-波导的结构,在激光泵浦的条件下研究了纳米腔的场分布、Q值变化以及激光定向出射的特性。本论文主要做出了以下工作:建立了一种三维纳米腔结构,基于混合半导体-绝缘体-金属的微腔结构,仿真研究了纳米腔的场分布和Q值等性质。接着,通过改变纳米腔的形状,对纳米腔的外边界和内边界等的形变研究了纳米腔的Q值、有效模体积和珀塞尔因子等,我们的结果表明纳米腔具有非常好的抗外界干扰能力以及较好的稳定性能。提出了一种纳米腔-波导的新型结构,得到了沿波导的单向出射。同时,改变波导宽度、纳米腔表面粗糙度等,仿真研究了纳米腔定向出射激光Q值、有效模体积、珀塞尔因子等参数对于制备中变量的依赖,说明我们的设计具有很好的稳定性以及鲁棒性。

关键词：等离子体激元定向出射纳米腔激光

内边界变形环形微腔的定向出射及其应用的研究

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内边界变形环形微腔的定向出射及其应用的研究

作者：张楠哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

回音壁模式的光学微腔通过沿着微腔边界的全内反射将光长时间的限制在腔内,并形成超高品质因子(Quality Factor,简称Q值),使得它在光学传感和微纳尺寸的相干光源上有很大的应用潜力。对于这类应用而言,几个主要参数有高Q值、单向出射和... 详细信息

回音壁模式的光学微腔通过沿着微腔边界的全内反射将光长时间的限制在腔内,并形成超高品质因子(Quality Factor,简称Q值),使得它在光学传感和微纳尺寸的相干光源上有很大的应用潜力。对于这类应用而言,几个主要参数有高Q值、单向出射和大的手性。为了得到单向出射,通常的方法就是对微腔边界进行变形。然而,由于变形微腔不能保持局域谐振的角动量,这类微腔的Q值经常衰减的很严重。此外,之前对于手性谐振的研究不是低Q值模式就是需要一些特殊的微腔设计。所有的这些缺点都会限制光学微腔的实际应用。本文的研究基于以上的讨论,证明了一个更新、更普遍、更稳健的机制来同时得到超高Q值和单向出射。然后,将这种定向出射机制应用于光子分子中,通过数值模拟证明,除了超高Q值和单向出射,同样可以得到大的手性值。最后,本文分析了这种光子分子对于单分子探测上的应用。完成的主要工作如下所示:1、本文设计了一个新型的内边界变形环形微腔,研究其定向出射机制,得以在其中同时获得超高Q值和单向出射。通过调整环形微腔内边界的位置、尺寸和形状,证明了单向出射可以在一个长寿命谐振和宽的频段内存在。同时,高Q值和单向出射的范围很宽,使得这个新的机制更适用于实际应用。上述的机制通过基于有限元法(Finite-element Method,简称FEM)的COMSOL Multiphysics软件进行模拟计算被证明。2、本文将上述机制扩展到光子分子中。将一个圆形微腔放置在内边界为螺旋线形的环形微腔旁边,通过数值模拟计算证明,超高Q值、单向出射和手性可以同时获得。并且很容易在腔内获得非正交模式对,非正交模式对的共同传播方向可以通过光子分子内的模式耦合作用来进行转换。这一特性可以进一步提高它的灵敏度,在光学传感和探测中有着极高的应用价值。3、基于上述讨论,本文将光子分子结构应用于单分子探测中,使用的是奇点(Exceptional Point,简称EP)附近的模式。当一个纳米颗粒靠近在EP附近谐振的光子分子时,主要的谐振行为就受到强烈的扰动。除了模式劈裂以外,本文又提出了光子分子的远场分布图案也发生了巨大的变化。以聚苯乙烯分子为例,证明了半径在1 nm到7 nm的单个分子,可以简单地通过远场分布图案的变化进行检测。本文所提出的探测方法很简单,不需要使用昂贵的高精度设备,在无标记单分子探测中具有极高的应用潜力。本文中所提出的新型内边界变形环形微腔定向出射的机制对于例如EP和模式耦合这类基础理论的研究具有新的优势。对其在光子分子和单分子探测中的应用的研究表明,它给一些实际应用的研究提供了新的平台。对于光学微腔的研究和应用有着推动性的意义。

关键词：变形微腔 Q值单向出射手性单分子探测

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基于大面积有机钙钛矿单晶的光栅耦合器研究

基于大面积有机钙钛矿单晶的光栅耦合器研究

作者：李瑞雪哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

钙钛矿是一种新型半导体材料,具备载流子扩散距离长、带隙可控、载流子寿命长等优点。近年来钙钛矿不仅于太阳能电池的研究中扮演重要角色,也被广泛应用于微型激光器、光电探测器的研究中,具有很好的应用前景。然而目前关于将各类钙钛... 详细信息

钙钛矿是一种新型半导体材料,具备载流子扩散距离长、带隙可控、载流子寿命长等优点。近年来钙钛矿不仅于太阳能电池的研究中扮演重要角色,也被广泛应用于微型激光器、光电探测器的研究中,具有很好的应用前景。然而目前关于将各类钙钛矿光电器件进行集成的相关研究却很少,其中一个重要原因在于材料制备方面的瓶颈。尽管理论上钙钛矿单晶相较于多晶薄膜具有更好的光电性能,目前大多数基于钙钛矿的器件依然依赖于多晶薄膜,现实与理论的差距说明现有的钙钛矿单晶材料制备工艺仍然存在改善空间。所以要在钙钛矿集成光电的探索道路上继续前进,需要大尺寸的优质钙钛矿单晶作为研究平台。本文针对有机钙钛矿(MAPb Br)材料的制备方法,分析了钙钛矿一步溶液法薄膜、反溶剂气相辅助法生长单晶、空间限制法生长单晶之间的形貌差异,发现单晶比薄膜表面缺陷更少。在此基础上本文优化了用空间限制法生长钙钛矿单晶的条件,对溶液浓度和压力参数进行调整,利用钙钛矿饱和浓度溶液与200-600g砝码施加压力获得了大尺寸的钙钛矿单晶,厚度集中在200-400 nm,尺寸可达1 mm。利用X射线能谱与X射线衍射分析手段,本文确定了钙钛矿结晶晶系并发现空间限制法单晶相较其他两种制备手段具有更高结晶度。本文还设计透射反射光路测定钙钛矿单晶的吸收带边,计算获得有机钙钛矿带隙为E (28)2.3e V,利用椭偏仪测试晶体的折射率参数,为后续工作确定基础。在确定钙钛矿单晶的折射率之后,本文设计了1550 nm波段的光栅耦合器,光栅耦合器是光纤与片上波导信号传输的端口。同时考虑到钙钛矿材料暴露在空气中容易受水蒸气和氧气破坏,本文还对带包层和无包层两种情况进行了仿真。仿真运用的是lumerical软件,分别对光栅进行了周期、占空比、耦合角度、刻蚀深度的优化,设计耦合效率分别为37%与30%的带包层光栅与无包层光栅。最后根据模拟仿真的结果,用电子束曝光技术(EBL)和感应耦合等离子刻蚀技术(ICP)等微纳加工技术,制作了钙钛矿光栅耦合器样品。并分析了带包层和无包层的样品制作工艺。利用光路测试了光栅耦合器的耦合效率,最终在无包层的光栅样品中测得2.5%的耦合效率,而带包层的样品并无信号。实验结果证明利用空间限制法制备的大尺寸单晶具有作为集成光路平台的潜力,但钙钛矿单晶厚度的均一性需要优化,保持材料稳定性的手段也需要探讨。

关键词：钙钛矿单晶光栅耦合器耦合效率

三维光场限制表面等离子体激元纳米激光器的设计

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三维光场限制表面等离子体激元纳米激光器的设计

作者：孙文钊哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

表面等离子体激元(Surface plasmon polaritons,SPPs)是一种表面波,是入射光子和金属(例如金、银等)中电子能量交换而形成并且沿着金属表面传输的电子集体振荡波。基于SPPs激光模式的激光器件就是本文研究的受激表面等离子体激光器(Surf... 详细信息

表面等离子体激元(Surface plasmon polaritons,SPPs)是一种表面波,是入射光子和金属(例如金、银等)中电子能量交换而形成并且沿着金属表面传输的电子集体振荡波。基于SPPs激光模式的激光器件就是本文研究的受激表面等离子体激光器(Surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation,SPASER)。本文研究设计基础模型采用低折射率介质、纳米线增益介质和金属介质结合形成混合表面等离子体激元(Hybrid surface plasmonic,HSP)波导。由于混合等离子波导模式在低损耗、高光与物质相互作用方面的优势,基于混合等离子波导的SPASER受到了广泛的关注和研究。然而传统的SPASER往往强调在二维平面内的光限制,对于第三维上的光限制没有研究。因此在进一步提高光与物质相互作用并形成纳米量级的量子光源上存在困难。面对这项挑战,本文研究从增强纳米激光器光场限制能力出发,设计了全三维光场限制能力的表面等离子体纳米激光器。本研究中纳米激光器的设计利用了SPPs模式对模场的增强和模尺寸的良好的限制能力,其中光学谐振腔是基于硫化镉纳米线产生SPPs模式的法布里-珀罗(Fabry-Perot,FP)谐振腔。本文研究独创性的在传统HSP腔体中引入了宇称时间对称原理(Parity-time symmetry),分析了增加PT对称原理后如何产生第三维度光场限制的机理。从耦合模理论的计算分析出发,成功构建了HSP波导上的第三维度的光场限制模型。本文利用了有限元仿真软件COMSOL Multiphysics数值仿真的研究方法,对所设计的拥有全三维光场限制能力的等离子纳米激光器进行了三维数值仿真分析。数值仿真严格构建了仿真模型并对材料等效折射率、不同增益损耗条件下的三维光场分布、场能量数值和有效模式体积进行了全面分析。通过一系列仿真分析验证了本文研究所设计的等离子纳米激光器的全三维光场限制能力。我们知道珀塞尔因子(Purcell factor)是体现光与物质相互作用的重要参数,可以将其简单理解为Q值(Quality factor)与有效模式体积(Effective mode volume)的比值。本研究设计的结合PT对称原理的HSP波导结构纳米激光器的有效模式体积降低到了0.00169μm3,这是传统HSP波导结构纳米激光器的五分之一。这也意味着本文研究的设计突破了行业设计极限,实现了表面等离子激元纳米激光器的三维光场限制设计,为微纳米光子集成技术的发展提供了帮助。

关键词：等离子纳米激光器有效模式体积三维光局域化限制宇称时间对称集成纳米器件

基于铯的卤化铅钙钛矿微米线激光器与光子探测研究

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基于铯的卤化铅钙钛矿微米线激光器与光子探测研究

作者：汪帅哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

微型激光器作为有源器件在集成光电子领域有着重要应用,它可以为系统提供光源,与其他集成器件一起形成具有实际功能的微型光路。随着纯无机铯的钙钛矿出现,其优异的光学性能使它很快成为新一代半导体材料。无机铯的钙钛矿以晶体的形式存... 详细信息

微型激光器作为有源器件在集成光电子领域有着重要应用,它可以为系统提供光源,与其他集成器件一起形成具有实际功能的微型光路。随着纯无机铯的钙钛矿出现,其优异的光学性能使它很快成为新一代半导体材料。无机铯的钙钛矿以晶体的形式存在,具有微米线状结构,在泵浦激光的激发下能够出射激光,形成天然的微型激光器。然而,传统制备方法复杂、成本过高,制备出的微米线横截面尺寸小,只能支持具有较低品质因数的法布里-珀罗模式激光;并且由于样品质量不佳,应用于光子探测时响应速度慢。本文为解决该问题,改进了一步溶液法来制备纯无机铯的钙钛矿,开展其激光性质和光子探测能力研究。针对预期要求,提出了制备拥有较大横截面尺寸的钙钛矿微米线。通过对钙钛矿制备方法的调研和反复摸索,本文改进了一步溶液合成法,成功制备出高质量、形貌统一并且拥有较大横截面尺寸的微米线。本文以铯的溴化铅钙钛矿微米线为例,采用飞秒脉冲激光泵浦,首次在其横截面内实现回音壁模式激光,并且品质因数最高达7000。通过双光子泵浦,研究了微米线的非线性效应。同时对被测样品建立模型进行仿真,证实了实验结果的准确性。理论上,纯无机钙钛矿的稳定性优于有机-无机杂化钙钛矿,基于此,本文在飞秒脉冲激光连续泵浦和高温加热下,研究了两者出射激光的稳定性,得出和理论一致的结果。铯的溴化铅钙钛矿微米线除了具有优秀的激光特性,本文还研究了其光子探测性能。通过真空电子束蒸镀制备出金膜电极并且搭建三维转移平台,借助拉锥光纤将微米线转移至金膜电极上,研究了微米线在不同条件下光生电流的变化,测量得到光子探测的响应时间低至8 ms,比之前相关报道低了两个数量级,实现了快速探测。铯的溴化铅钙钛矿微米线的系统研究,为以后集成光电子器件的发展提供了有利的帮助。

关键词：铯的钙钛矿微米线双光子泵浦回音壁模式品质因数光子探测

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WGM光学微腔在传感及量子隧穿中的应用

WGM光学微腔在传感及量子隧穿中的应用

作者：张靖哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

自20世纪80年代以来,光学微腔中的回音壁模式一直是微纳光学领域中的一个研究热点,其独特的光谱特性,使回音壁模式的光学微腔在物理学和工程学的许多领域中得到应用。目前,对回音壁模式的光学微腔的研究主要集中在由其制备的光学器件的... 详细信息

自20世纪80年代以来,光学微腔中的回音壁模式一直是微纳光学领域中的一个研究热点,其独特的光谱特性,使回音壁模式的光学微腔在物理学和工程学的许多领域中得到应用。目前,对回音壁模式的光学微腔的研究主要集中在由其制备的光学器件的性能的改进与功能的探索上。它们的性能主要取决于光学微腔内光场能量的确切分布,由纳米级器件的几何形状限制和成形,而满足这些性能的关键是实现具有高品质因子的腔体。本文为探索光学微腔中的回音壁模式用于传感、量子隧穿等实验的研究,对微腔的回音壁模式特征进行近一步的实验与分析。本论文针对回音壁模式光学微腔存在的内部损耗导致Q值下降的问题,结合片上硅基器件制备技术,改进并实现了基于片上圆形微腔的高灵敏度传感器件。通过优化制备工艺、增加微腔尺寸等方法减少微腔内部损耗,实现了光学微腔的高灵敏度的温度传感应用,其灵敏度可达到0.1 nm/℃,这为低成本的传感器件和集成光子芯片提供了重要的实验和理论支持。除此之外,本文又探索了变形微腔在量子隧穿上的研究应用,设计了一种新型的变形腔结构,来实现同时观测混沌态到稳定态的以及稳定态到混沌态的两个隧穿过程。通过仿真建模计算以及光学实验测量结果的综合分析,在仿真和实验上均验证了变形腔中的稳定态与混沌态的相互隧穿过程,从而为微腔内量子隧穿效应的研究提供了实验依据和新的基础平台。

关键词：回音壁模式光学微腔光学传感变形腔量子隧穿

基于端面入射的高品质因数硅基光学微盘传感器设计

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基于端面入射的高品质因数硅基光学微盘传感器设计

作者：于晓依哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

以硅半导体材料技术制作的各种光有源及无源器可有效实现高度集成化,为突破光器件的瓶颈带来了希望。除光通信系统、光信息处理等方面,硅基光学微腔以其较小的模式体积和高品质因子等特性,在环境监控、重大疾病早期预防和生化安全等领... 详细信息

以硅半导体材料技术制作的各种光有源及无源器可有效实现高度集成化,为突破光器件的瓶颈带来了希望。除光通信系统、光信息处理等方面,硅基光学微腔以其较小的模式体积和高品质因子等特性,在环境监控、重大疾病早期预防和生化安全等领域也得到了广泛地关注和发展。然而时下常用的微纳光学耦合机制存在着耦合条件苛刻、工艺精度要求较高、结构稳定性差、制备成本较高或耦合效率较低等弊端,限制了光学回音壁谐振腔在生物医学和生化传感等领域的商用化进程。本文针对上述问题,从仿真建模计算和实验等多角度证明了端面入射的直接耦合机制的可行性,并基于这一机制开展了一系列温度和折射率传感实验。本文完成的主要工作如下:基于光学回音壁微腔理论,给出了包括谐振波长、品质因数、模体积和损耗机制在内的多项微盘传感器参数,并对片上微盘传感器的基本工作原理和性能指标进行了探究。针对实验中使用到的顶层硅厚度为220 nm和340 nm的两种二维均匀光栅耦合器,本文利用有限差分波束传播法分别对其参数进行了仿真建模计算优化和实验验证。针对端面入射耦合机制的工作效率,本文使用有限时域差分方法(FDTD)进行了仿真计算,满足了较为高效的耦合需要。探究了基于SOI材料的微纳光学结构制备工艺,以及用于导流和定向定位传感的PDMS微流通道的制备方案,实现了实验中微流通道与晶片的有效封装。基于上述端面耦合机制,本文制备了包括圆形微盘在内的片上光学结构,利用结构反射光谱中品质因数较高的模式进行了一系列温度和溶液折射率传感实验,根据收集到的实验结果分析了传感系统灵敏度和探测极限等相关参数,并开展了验证性实验。基于端面入射的直接耦合机制在保证了较高耦合效率的基础上,可以激发出微盘谐振腔中很多品质因数较高的模式,同时其具有制备工艺较为简单成熟,耦合条件限制较小和结构较为稳定等优势,有望在生化传感和环境监测等热点领域发挥极大的应用潜能。

关键词：回音壁谐振腔硅基微盘品质因数温度传感折射率传感

混合等离子体波导结构中光传播和场局域特性研究

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混合等离子体波导结构中光传播和场局域特性研究

作者：翟惠霖哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

纳米光波导是实现超高集成化光子器件的重要组成部分。目前已经提出了多种类型的纳米光波导结构,主要分为:介质波导、光子晶体波导和表面等离子体波导。此外在纳米光波导中引入缺陷可以构成光学微腔结构。光学微腔在研究光与物质的相互... 详细信息

纳米光波导是实现超高集成化光子器件的重要组成部分。目前已经提出了多种类型的纳米光波导结构,主要分为:介质波导、光子晶体波导和表面等离子体波导。此外在纳米光波导中引入缺陷可以构成光学微腔结构。光学微腔在研究光与物质的相互作用,纳米激光器等领域有着极其重要的应用,同时也是集成光路中的一类基本光学组件。现阶段提出的光学微腔存在结构复杂、尺寸较大、难以制备、模体积大等问题。针对上述问题,本文基于绝缘层上硅（Silicon-On-Insulator,SOI）平台,设计了一种具有较小模体积、高品质因子且便于制备的混合表面等离子体波导（hybrid plasmonic waveguide,简称HP波导）,并对其进行了尺寸优化及传感特性的研究。本文结合了传输矩阵法和麦克斯韦方程组,推导出了一维HP波导结构中混合模式的色散关系。采用有限元法（Finite Element Method,FEM）分析了光场在波导中的模场分布及传播长度随结构尺寸、材料的介电常数等参数的变化关系,为下一步设计基于周期性混合波导的微腔结构奠定了基础。基于以上述研究得出的变化关系,本文通过在周期性HP波导中引入结构缺陷来产生缺陷态。本文利用COMSOL Multiphysics软件建立了相应的二维模型,分析了二维周期性HP波导微腔结构中光场的传播及局域特性。为了使缺陷态模式具有最小的模体积,优化了波导的几何结构并确定了模体积最小时波导的最佳宽度。本文进一步建立了三维周期性HP波导微腔结构,研究了波导中缺陷的尺寸,材料及周期数目等对混合模式传输特性的影响。利用混合表面等离子波导能够将光场限制在深亚波长尺度同时还具有低损耗的特性,通过结构优化设计出了有效模体积为0.005?m3,珀塞尔因子为3750的波导微腔。数值研究了介质层折射率的变化及在缺陷位置加入微小金属条后波导的传输特性,结果表明基于HP波导结构的纳米微腔不仅具有很高珀塞尔因子而且具备良好的传感特性。本文的研究结果为基于表面等离子体的波导元器件的优化设计提供了理论依据,对实现表面等离子体波在超高集成光路中的应用具有指导作用。

关键词：光学微腔混合模式混合表面等离子波导有限元法