混合表面等离子体回音壁模式微腔模式特征分析

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近年来,具有高品质因子(Q)和低模式体积(V)的回音壁模式微腔吸引了众多学者的研究兴趣。回音壁模式微腔尺寸极小,腔体内部能量密度极高,并且制作过程简单方便,成本低廉,易于集成。基于以上这些特性,回音壁模式微腔作为重要的光学器件被应用于众多领域。但是由于受衍射极限的限制,回音壁模式微腔的光场模式尺寸一般被限制在微米量级以上,其尺寸远大于电子器件的尺寸。而表面等离子体激元(surface plasmon polariton,SPPs)是由于光和金属表面电子相互作用引起的一种电磁波模式,它既具有光子学的速度,又具有电子学的尺度,能够在亚波长结构中对光进行约束和操控。基于这些优点,许多有趣的表面等离子体光学器件不断向前推进,在各个领域发挥着越来越重要的作用。人们也把SPPs与介质微腔结合在一起产生了各种结构的SPP谐振腔。但是SPP谐振腔的金属损耗太大,其应用因此而受阻。  混合表面等离子体回音壁模式微腔由于结合了介质回音壁模式微腔低损耗和表面等离子体高局域性的特点,可以突破光学衍射极限,同时具有较高的品质因子。基于混合表面等离子体的光子器件在纳米集成光子器件方面具有广泛的应用前景。  本文主要从理论方面出发对混合表面等离子体回音壁模式微腔进行研究探索。具体的研究内容包括以下几个方面:  首先本文简要介绍了回音壁模式微腔的发展及其基本参数,回顾了表面等离子微腔的研究进展,再进一步引出并介绍了混合表面等离子体回音壁模式微腔的研究状况。  其次为研究方法介绍,本论文利用的是有限元方法,由此主要介绍了有限元方法,并用基于该方法的COMSOL Multiphysics对回音壁模式介质球微腔进行了模拟仿真,验证该方法的可行性。  然后主要研究了新型混合表面等离子体回音壁模式微腔的模式特征。第一节研究了混合表面等离子体回音壁模式微盘腔,该混合微腔具有较高的品质因子和较小有效模式体积;第二节从理论上研究了混合表面等离子体回音壁模式微环腔,该硅基混合微环腔有较高的灵敏度~500nm/RIU,在高灵敏度折射率传感方面有很大的应用前景。  最后提出了新型间隙混合表面等离子体回音壁模式微腔,并分析其模式特性及其在折射率传感器方面的应用。第一节研究了有空气填充的非均匀间隙的混合表面等离子体回音壁模式微盘腔,由于空气间隙部分的存在,非均匀间隙混合微腔可以提高其品质因子Q,同时,有效模式体积Veff虽较传统均匀间隙微腔有所增大,但在提高其品质因子Q时,只是略微的牺牲了有效模式体积Veff。在折射率传感方面,有空气填充的非均匀间隙混合微腔可以在提高灵敏度S时,同时提高其品质因子Q。第二节研究了双层间隙混合表面等离子体回音壁模式微腔,创新点在于一方面该双层间隙混合微腔的品质因子Q可以高达1180,有效模式体积Veff最小为0.154μm3。另一方面,由于SiO2间隙层的存在,可以保证取得较高的灵敏度S时,且较大程度上的提高其品质因子Q。
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