论文部分内容阅读
近年来,人们希望能够像控制半导体中电子的行为一样,去控制和利用光子,使得光子能最终代替电子而作为信息的载体。从而在光电信息领域出现了许多前沿研究课题,诸如光子晶体与准晶体、微腔量子电动力学、亚波长光子学、等离激元学等等。相关研究既能加深人们对人工微结构中光传播规律的理解,同时又能发展新型光电子材料和器件。本论文从实验和理论两方面深入探讨了介电和金属微结构中的光透射性质,研究内容包括以下几个方面:
第一,我们从理论和实验两方面研究了非周期介电异质结中杂质对透射模式的调控,包括:(1)杂质引入光子晶体结构中不同位置对杂质模式的影响;(2)杂质自身的尺寸对带隙中的杂质模式和数目的影响。通过数值计算和实验研究,我们总结出杂质引入对光透射影响的规律。如同掺杂半导体调控电子一样,该工作为调控光子模式提供了一种有效的方法。
第二,我们设计和制备出具有对称型介电异质结构,并通过它实现了对透射模式强度和品质因子的调控。在理论上我们分析了在结构中引入对称性将使得透射率更容易满足完全透射的条件;在实验上我们利用这一思想使在禁带中出现一系列共振透射模式。该研究结果可用于研制新型高性能的波分复用器、光子集成和多路窄带光学滤波器等光学器件。
第三,我们设计和制备出一种光子晶体异质结,在光的两个通讯波长1300nm和1550nm处同时得到共振透射模式,并且这两个透射模式处于全方向光子带隙之中。首先,我们从理论和实验两方面研究了介电多层结构中的全方向光子带隙,然后我们通过微结构设计在全方向光子带隙中同时获得两通讯波长处的共振模式,并且研究了这两个透射模式以及光子带隙随光入射角的变化规律。该工作已获得自主知识产权,可以直接用于光通讯技术。
第四,我们对亚波长带孔金属/介电微结构中增强透射现象进行了研究。一方面,我们发现表面等离激元以及表面等离激元的耦合效应会导致光在该亚波长带孔金属/介电多层结构中会发生异常透射效应,在多个共振模式上突破光的衍射极限。随着多层结构层数的增大,表面等离激元的耦合导致一些新的共振模式出现,从而在光的透射谱上出现一些新的透射峰。另一方面,我们从第一性原理出发,利用三维有限时域差分方法对增强透射的微观机制进行了探讨。这一工作为利用亚波长金属结构调控光子透射提出了一种新的思路,同时有可能对未来的光电集成提供了一个新的途径,总之,我们从理论和实验两方面揭示了介电和金属微结构中丰富的光透射性质,为利用介电和金属微结构调控光透射提供了多种不同的方法,丰富和发展了光电子学和等离激元学。同时,研究结果为发展新型光电功能材料和器件提供了科学依据,并为调控光子传播开拓了思路。