● 摘要
未来的信息处理及通信器件要求同时具有更高的集成度和更快的处理速度。与现有的电子学体系相比，利用光作为信息载体的光子器件技术具有带宽高、响应快、抗干扰、可并行处理等诸多优势，从而克服电子器件的一些固有瓶颈。但传统光子学器件由于受到衍射极限的制约，其特征尺寸无法突破波长量级，这一内在局限影响和制约了高密度光子集成的实现。而基于表面等离激元效应和其它新型微纳结构的光子器件的出现则为解决这一问题带来了新的契机。表面等离激元等微纳结构可突破衍射极限的束缚，实现真正亚波长尺度的光场传输。其具有的超强模场限制能力、能同时传输光/电信号、特性可调控等独特优势使其在纳米光子学领域显示出巨大的潜力，成为实现未来超高密度集成和多功能光子芯片的关键技术发展方向之一。本论文选题以探索面向光信息传输领域的低损耗、亚波长新型表面等离激元光波导和高性能集成光子器件结构为目标，从表面等离激元和介质导波模式的耦合机制等关键问题出发，重点研究由金属-介质构成的复合型微纳结构的相关光学导波特性。论文分别在超低损耗表面等离激元光波导、深亚波长表面等离激元光子器件、硅基亚波长狭缝波导等方面开展了系统的理论分析和仿真研究工作。具体研究内容包括以下几个方面：1、提出并研究了用于实现超低损耗表面等离激元模式传输的若干新器件结构。通过在金属-介质复合器件中引入具备低传输损耗特性的金属结构代替一维金属基底，或采用含有纳米空气孔结构的介质波导代替实心介质结构，显著地降低了混合等离激元模式的传输损耗。其中，利用低损耗长程等离激元模式、金属纳米线（棒）HE+1模式与具备横向对称性的介质导波模式之间的耦合效应，获得了兼具毫米级以上传输距离和亚波长光场束缚能力的超低损耗长程混合等离激元模式。与传统混合等离激元相比，长程混合模式的传输损耗可减小1至2个数量级。通过将有关结构应用到有源光器件中，还可在保持传统混合结构亚波长光场限制水平的前提下，将无损耗模式传输所需的临界材料增益系数降低1个数量级以上。另一方面，当在金属-介质复合波导结构中引入含有纳米空气孔结构的介质波导时，得益于具有狭缝效应的介质导波模式和表面等离激元模式之间的耦合，所获得的混合等离激元模式不仅可以获得显著的局域场增强效应和亚波长的模场限制能力，还可实现超低损耗传输。而将有关结构应用到等离激元纳米激光器结构中还可同时实现模式损耗和泵浦阈值的降低，从而具有改善基于传统混合模式结构的等离激元纳米激光器性能的前景。2、提出并研究了用于获得深亚波长模场限制能力的新型表面等离激元器件结构。利用具备很强光场束缚能力和局域场增强特性的二维金属结构支持的表面等离激元模式，有效地提高了传统混合等离激元波导的模场限制能力。得益于沟槽表面等离激元模式、边角（楔形）表面等离激元模式以及金属纳米线TM0模式与介质导波模式的高效耦合，得到的混合等离激元模式不但可以继承非耦合状态下表面等离激元模式的超强光场束缚能力，而且可以保持较低的传输损耗。该类混合波导可在维持相似的传输距离的前提下，进一步压缩传统混合等离激元器件的传输光场的模场面积，提高低折射率缝隙层中的场增强效应，并改善高折射率介质结构内的光场限制能力。在模场限制能力方面的显著优势使得此类结构在等离激元纳米激光器等领域具备良好的潜在应用前景。研究表明，利用该类混合结构可用于构建同时具备低泵浦阈值和深亚波长模场尺寸的等离激元激光器件。3、针对传统介质狭缝波导无法同时实现两个偏振态下的较强模场限制的不足，本论文提出了一种倒T型介质狭缝光波导结构。基于垂直狭缝波导和绝缘衬底上的硅波导的结构，该倒T型狭缝波导能对不同偏振的模式都产生狭缝效应，从而实现很强的光场束缚，且可实现具有不同特性的模式双折射效应。与十字形狭缝结构相比，倒T型狭缝波导可在更大几何尺寸范围内支持两个模式的传输。由于其所具备的双折射和光场限制特性，该结构具有被用于构建偏振无关定向耦合器、高灵敏度传感器件等前景。
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