【摘 要】
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表面等离激元（Surface Plasmon Polarition,SPP）具有亚波长局域和近场增强特性,因此被广泛应用于微纳米尺寸的光学元件中。在等离子体的微纳光学结构中,SPP模式与其它固有共振模式间会发生耦合,产生法诺共振（Fano Resonance）和等离子体诱导透明（PIT）等丰富的物理现象,这种共振耦合可实现对微纳结构光学性质的调制,大幅度提高微纳光学器件的传感和探测性能。本论文研究
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表面等离激元（Surface Plasmon Polarition,SPP）具有亚波长局域和近场增强特性,因此被广泛应用于微纳米尺寸的光学元件中。在等离子体的微纳光学结构中,SPP模式与其它固有共振模式间会发生耦合,产生法诺共振（Fano Resonance）和等离子体诱导透明（PIT）等丰富的物理现象,这种共振耦合可实现对微纳结构光学性质的调制,大幅度提高微纳光学器件的传感和探测性能。本论文研究了SPP分别和光波导（WG）模式以及微腔模式相互作用的物理规律和共振耦合特性。基于等离子体耦合的光波导模式可产生半峰宽非常尖锐的法诺共振,极大增强了器件的探测灵敏度;基于等离子体耦合的微腔模式可提高微腔有源区内的光子吸收效率,从而提高器件探测性能。本文分别围绕这两种局域共振耦合展开,主要的工作成果如下:1.为了降低SPP的高损耗且保持它的空间局域性,系统地研究了SPP、长程SPP（LRSPP）及短程SPP（SRSPP）分别和单模式波导的共振耦合特征,计算了不同金属厚度下的临界耦合波导厚度,并绘制了完整的相图。研究发现:SPP耦合WG时,临界耦合波导厚度下体系处于PIT模式,电场均匀分布于金属和WG区域,损耗和限域可达到较好平衡;LRSPP耦合WG表现为洛伦兹线型模式间的混合叠加,处于强耦合的杂化模式,金属和波导达到最佳平衡;SRSPP由于宽共振特性,耦合WG时电场集中在金属区域。此外,研究了多波导模式下SPP/SRSPP和各阶WG模式间的耦合特征,研究发现:随着耦合距离的减小,SPP和各阶WG模式从弱耦合的法诺共振演变为强耦合的杂化模式;而在相同耦合距离下,SRSPP会同时和各阶WG模式发生法诺共振。2.针对谐振子模型不易搭建,而电路模型搭建简单但缺乏系统分析的问题,构建了电容耦合并联RLC回路的电路模型并用来分析SPP和局域态模式间的共振耦合。研究发现:使用相应的电路参数可拟合出Fano和PIT光学线型;通过对比LC回路耦合系数和阻尼常数,可区分体系的强弱耦合类型。另外从电路相位角度分析了PIT现象,发现电路中的类PIT起源于单个并联回路和整个串联回路间的转换。最后将该等效电路模型拓展到了SRSPP和多模式波导间的共振耦合。3.针对金属/绝缘体/金属（MIM）结构中金属存在高的欧姆损耗问题,提出石墨烯替代MIM微腔结构中的顶部金属光栅和底部金属电极的新型结构,使用时域有限差分法计算了该结构下的反射光谱和微腔中的电场分布,分析了石墨烯和微腔结构的物理参数对石墨烯等离激元光子态共振频率的影响及作用机制。研究发现:通过优化各项参数,石墨烯等离激元的光子态共振频率可以被调节到微腔的电子态跃迁频率,且子带间吸收效率达到45%,比MIM结构提高近1.5倍。
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