论文部分内容阅读
表面等离激元光子学是纳米光学中最活跃的分支之一,主要研究金属纳米结构受光激发后产生的电子集体振荡,以及与之相耦合的电磁场倏逝波。表面等离激元具有场增强、共振波长可调性,以及能够突破介质光学的衍射极限,因此在全光芯片、集成光电芯片等方面具有十分诱人的应用前景。目前,研究者们已经实现了一系列的功能器件,比如等离激元激光器、贵金属波导网络、片上相位调制器、等离激元探测器等。其中,基于表面等离激元的光探测器是集成芯片的重要部分。这方面的研究主要集中在两个方面:一是利用表面等离激元结构增强传统光探测器的响应,提供波长分辨、偏振分辨、手性分辨等功能,甚至利用热电子等新机制来突破材料带隙带来的探测波长限制;二是利用波导结构把光探测器从垂直结构变为平面结构,实现在片上探测传导的表面等离激元,用于全光芯片与微电子芯片的硬件接口。表面等离激元光探测的相关研究包含大量的物理问题,如光热转化,热电子过程,波导中光传输,不同光场模式的耦合等。该研究又包含许多工程技术问题,如器件微纳制加工方法,CMOS兼容的器件设计等。虽然这些难题给我们的研究带来了许多挑战,但其中蕴含着的机会也激励着我们不断创新。本论文围绕着基于表面等离激元的光电探测,在两方面都进行了研究。论文将表面等离激元结构与近年来备受关注的光热电效应相结合,实现了等离激元调制和增强的硅基光热电型光探测器。研究还将半导体纳米线与等离激元波导结合在一起,实现了在亚波长尺度下,对表面等离激元的片上探测。论文的主要创新点和研究成果包括有:1、从实验和理论上研究了硅纳米带的光电响应,并通过伏安特性曲线和空间分辨的光电流扫描,区分了由不同接触类型引起的硅纳米带中的光伏效应和光热电效应。在混合接触类型的样品中,我们还观察到了两种机制的共存和竞争。通过建立光热电效应的全过程多物理模型,研究将光生载流子产生,载流子-晶格双温度,和半导体输运过程成功结合起来。该理论模型成功地解释了实验中观察到的功率依赖光电压饱和效应,并为体系的进一步优化提供了理论基础。2、将窄缝光栅(一种典型的等离激元共振结构)与硅纳米带相结合,实现了等离激元调制的光热电探测器。该器件具有对入射光的波长和偏振选择性响应。通过在光栅区域照射聚焦的633nm激光,可以实现高达~82 mV/μW的开路光电压。高响应主要归功于轻掺杂硅较高的Seebeck系数和等离激元结构引起的共振吸收。通过实验和计算中得到的角分辨反射色散谱,研究证明了增强共振光吸收的主要机制来源于硅纳米带中与等离激元杂化的类波导模式。3、实现了具有良好近场耦合效率的表面等离激元片上探测器,并在光电流谱中观察到了Fabry-Perot腔导致的周期性振荡现象。通过控制金波导与硅纳米带之间的间隙,优化了表面等离激元与硅纳米带之间的近场耦合,这对于缩小器件尺寸十分重要。我们创造性地通过在金纳米线与衬底之间插入一层~50 nm的硅薄膜,优化了通过微纳加工技术制备的金纳米线在SOI基底上的传导。最后成功地实现了小型化的纳米线结构的等离激元片上探测器。我们提出的器件具有足够的片上探测效率,可用于表面等离激元全光芯片和微电子芯片之间的光电转换接口。