從線上到片上表面等離極化激元的可控傳輸與發射研究

【摘要】：光纖作為一種特殊的光波導,可以實現光信號在光纖中的高速傳輸,為現代光通信的快速發展奠定了堅實的基礎。隨著科學技術的發展,為滿足光學波導芯片集成化的需求,需要將光學波導縮小至微米及納米級尺度。然而,由于光學衍射極限的限制,使用傳統的光學介電材料無法將光波導的尺寸減小到亞波長范圍。金屬微納結構可以通過光致激發,在金屬與介質的界面處形成表面等離激元(Surface plasmon,SP)——一種混合的電磁模態:包含自由電子的集體振蕩以及介質中的表面波兩部分,可以將光緊緊地限制在金屬結構附近十幾納米的范圍內,從而有效突破傳統光學衍射極限。當滿足動量匹配條件時,表面等離激元會沿著波矢方向進行定向傳輸,這種傳輸型的表面等離激元,即表面等離極化激元(Surface plasmon polariton,SPP)。表面等離激元波導是一種基于表面等離極化激元在貴金屬波導表面傳輸的新型波導,它可以將光場限制在納米級的范圍內;相比于傳統的硅基波導大大減少了波導的集成間隔距離。常見的表面等離激元波導主要有兩大類:一種是基于納米線、納米帶一類的單向性非常好的一維表面等離激元波導;還有一種就是傳輸以及發射范圍較廣的平面表面等離激元波導。這兩種波導在新一代光子器件的發展過程中各自具有不可替代的優勢。然而,如何在波導上實現等離激元的高效傳輸和精確調控,降低傳輸損耗,實現遠距離可控的等離激元波導傳輸是目前等離激元波導研究方面的前沿熱點。本論文利用單晶銀納米線以及銀微米片,對一維銀納米線到二維銀微米片波導的表面等離激元的激發、傳輸以及發射特性以及機理進行了詳細的研究。通過改變激發條件以及引入針尖體系等手段實現了線上以及片上表面等離激元的傳輸路徑、傳輸方向、發射范圍以及發射強度的調控。具體研究內容如下:Ⅰ.基于銀納米線的表面等離激元傳輸特性及調控研究:基于銀納米線波導體系,實驗上利用改變激發光等試驗參數以及引入銀針尖對其表面傳輸的表面等離極化激元進行了調控。理論上利用有限元方法對體系模型進行電磁仿真計算,對納米線上的傳輸模式以及傳輸特性進行了詳細的理論解釋與分析。結果表明,基于銀納米線的表面等離激元波導具有良好的光場局限性以及單向傳輸性;通過改變激發光的偏振態,可以在直徑為500 nm的納米線上實現SPP的螺旋傳輸。此外,引入銀針尖可以精確原位調控納米線波導的SPP傳輸與發射。Ⅱ.片上表面等離極化激元的傳輸機理研究以及多通道發射調控:利用原子級平整的銀三角微米盤,改變激發光偏振態以及更換激發位置,實現了多通道SPP的激發、傳輸與寬場發射。通過搭建顯微成像測量系統結合精密壓電平臺,實現銀微米片波導的遠場發射信號的強度探測;利用量子點耦合近場技術,進一步揭示了表面等離激元在片上的傳輸以及模式調控。此外,利用有限元方法結合經典電磁理論,對片上表面等離極化激元的激發、傳輸模式以及傳輸機理進行了詳細的理論分析與探究。最后,基于銀微米片SPP的傳輸理論,設計了最優化的銀微米片等離激元波導體系,通過改變激發光的偏振態操控多束SPP進行干涉,實現了 SPP在銀三角微米片上的傳輸方向以及發射位置的調控,進一步拓展了在表面等離激元光子器件等方面的應用。