● 摘要
在大数据时代，人们要求信息的处理及传输器件具有更高的集成度和更快的速度。较传统的电子器件，光子器件具有带宽高、响应快和抗干扰等诸多优势。基于表面等离激元的光子器件可突破衍射极限，实现亚波长尺度的光场传输与处理。表面等离激元技术兼具光子系统的速度和电子系统的尺度，成为联接微米级光子系统和纳米级电子系统的桥梁。石墨烯具有独特的零带隙能带结构、室温下超高的电子迁移率及远高于贵金属的电导率，成为可能在太赫兹及远红外波段替代贵金属的全新的表面等离激元材料。基于石墨烯的微纳光子学器件不仅可实现深亚波长尺度的低损耗传输，其特有的可调控性使其在微纳光子学领域显示出巨大的潜力，成为未来光子芯片关键技术的发展方向之一。
本论文选题以探索面向信息传输及处理领域的石墨烯表面等离激元波导和高性能集成光子器件为目标。从对一维石墨烯表面等离激元模式的微扰及非对称模式间的混合等关键问题出发，重点研究由均匀偏置的石墨烯构造的光波导的模式特性、模场分布和单模条件及其在有源微纳器件和非线性微纳器件中的应用。论文分别在基于高折射率脊的石墨烯表面等离激元波导及器件、混合型石墨烯表面等离激元波导及器件和基于新材料的非线性微纳器件三个方面开展了系统的理论分析和仿真研究。具体的研究内容如下：
1、提出并研究了多种基于一维石墨烯片的、支持低损耗单模传的表面等离激元波导。该波导由悬在高折射率脊或楔上的均匀偏置的整片石墨烯构成。该波导利用高折射率脊或楔引入的等效折射率差，通过微扰一维模式实现横向模场约束。同时，在脊或楔上方的低折射率区中有明显的场增强。较传统石墨烯带波导，该波导可在远红外波段支持低损的单模传输。除了使用有限元法进行精确的模式分析外，我们还采用轻量级的等效折射率法计算了该波导的单模宽度并进行了快速优化设计。由于横向束缚机制的变化，该波导的模场以指数趋势从高折率脊上方由中心衰减至脊外。较横向排列的石墨烯带波导，该波导相邻脊间的模式存在较强的倏逝波耦合。基于相邻两个波导的耦合，我们设计了基于高折射率脊的石墨烯平面耦合器。由于该类波导在易于加工和支持低损耗单模传输方面的显著优势，使得此类结构在芯片级大规模集成光子器件领域具备良好的应用前景。
2、提出并研究了多种混合型石墨烯表面等离激元波导，并探讨了其在非线性光学中的应用。我们提出了基于高折射脊的对称混合型石墨烯表面等离激元波导，分析了其模场分布及模式特性，确定其偶混合模式的单模宽度，并用等效折射率法对其进行了快速的设计和优化。然后我们利用该对称混合型波导，探讨了基于四波混频的在波导内直接生成石墨烯表面等离激元的方法。数值仿真表明该技术不需要复杂的纳米天线或光栅将石墨烯表面等离激元耦合进波导，而是借助高折射率脊材料的三阶非线性，在满足相位匹配时将光子模式的泵浦光转化为等离模式的石墨烯表面等离激元。最后，我们又提出了在石墨烯纳米带波导以及石墨烯片波导间表面等离激元的非对称混合。当相位匹配满足条件时，对应的混合模式才会达到其品质因数的极大值。通过优化下层石墨烯片的化学势能，我们可将期望的混合模式调整到最佳状态而抑制其他模式。此类结构在模场限制能力方面的显著优势使其在高集成度有源光子器件领域具备良好的应用前景。
3、提出并研究了两种新材料：双曲正割超材料和透明导电氧化物在非线性微纳光子器件中的应用。通过集成二阶非线性聚合物，我们设计了基于上述两种材料的光波导，从理论上探讨了这两种材料在二次谐波生成中的作用，展示了这两种新材料在非线性波长转换微纳器件中的应用。基于双曲正割超材料的波导具有超高等效折射率，且在狭缝中存在模场增强，使其具有极高的二次谐波转化效率和相位失配容差。基于透明导电氧化物薄层的光波导在基频时支持长程等离模式，在倍频时支持狭缝光子模式。通过调整透明导电氧化物的载流子密度，无需改变波导的几何结构，即可满足二次谐波生成中基频与倍频两个基模间的相位匹配条件。相关研究为光子系统中全光信号处理所需的高性能集成非线性波长转换器件的实现提供了新颖的思路。