基于表面等离激元的微纳光子器件设计

【摘要】表面等离激元(SurfacePlasmonPolaritons,SPPs)作为在金属和介质界面传播的电磁场表面波模式,是由于金属中高密度的自由电子气在入射光电场的激发下集体振荡形成的。其具有高度的近场增强效应、超衍射极限的光场局域性及对介电环境的高度敏感性等。利用SPPs这些不同于传统光子模式的特性,可以增强光与物质的相互作用,如增强太阳能电池中的光吸收、增强光学非线性效应等；因此在各种微纳光子器件中有着广泛的应用前景。本论文从SPPs的基本原理和性质出发,通过电磁场有限元模拟的方法探究其在多种器件中的机制和应用。本论文主要的研究工作和成果如下：1.基于有限元方法的基本原理和基本步骤,研究了电磁场有限元的时谐传播定解问题和波导本征值问题的数值方法。这些方法提供了本论文数值计算的基础。2.研究了VO2/Ag双层薄膜结构和ZnO/VO2/ZnS三层薄膜结构,同时提高了VO2智能窗户对可见光的透过和对红外光的调节性能。并利用金属光栅结构提高了VO2薄膜作为光开关的消光比。3.将金属掩埋光栅结构引入a-Si/μc-Si级联太阳能电池的底部,由电磁场模拟的方法研究其对级联太阳能电池中光吸收的影响,并对各结构参数的调节作用和机制进行系统的探究。结果表明,底部Ag掩埋光栅的加入,对上层a-Si层的吸收影响不大,但对下层μc-Si的两个偏振方向都有着宽谱的吸收增强。SPPs、光波导模式、FP共振在同一结构中不同的波段起着吸收增强的作用,积分载流子增强可达60%。另外为进一步降低成本,将下层Ag膜换为Al,采用Ag/Al双金属光栅结构,增强效应仍十分可观。4.将具有光学异常透射(Extraordinaryopticaltransmission,EOT)效应的金属孔洞阵列作为级联太阳能电池上、下吸收层间的中间电极。这样的中间电极隔开了上下吸收层,且可作为独立电极引出,消除了上下层之间晶格匹配和电流匹配的限制,而且省去了中间的隧道结。除结构设计上的优势外,金属孔洞阵列可以选择性的将短波光子反射回上层,并通过EOT效应将长波光子透射到下层,同时增强上、下吸收层中的光吸收。以PCBM/CIGS级联太阳能电池为例,研究了金属孔洞阵列的加入对电池光吸收的影响,并对周期200nm到1500nm的结构中的机制进行探究,同时进行结构参数的优化。当孔洞阵列的周期变化范围较大时,SPPs、磁等离激元(Magneticplasmonpolaritons,MPP)、局域表面等离激元(Localizedsurfaceplasmons,LSP)和光波导模式都在EOT和增强吸收中起作用。在很宽的结构参数范围内,都可以得到40%的积分功率增强。文中也简单讨论了金属孔洞阵列结构用于a-Si/μc-Si等其他材料体系的效果,可见该结构适用于各种级联太阳能电池的材料组合。5.系统分析了波导结构中的二阶非线性效应的耦合波方程,并将此方程用于杂化SPPs波导结构。在该结构中,对高频光支持低损的光波导模式,对低频光支持损耗较高的杂化SPPs模式。我们利用780nm或775nm的光波导模式泵浦,通过二阶非线性效应的参量放大过程对1550nm杂化SPPs模式进行损耗补偿甚至是信号放大。研究表明,通过非线性的参量放大过程的补偿,杂化SPPs的传播长度可以达到毫米量级。本论文创新点：1.利用多层薄膜结构的结构设计和优化,同时提高了VO2智能窗户的可见光透过和对红外光的调节性能。并利用金属光栅结构提高了VO2薄膜作为光开关的消光比。2.将掩埋金属光栅结构引入a-Si/μc-Si级联太阳能电池底部,通过SPPs、光波导模式、FP共振等多种机制在不同波段的作用,在两个偏振方向都得到宽谱的吸收增强。在下层可以得到60%的积分载流子增强。3.利用具有EOT效应的金属孔洞阵列结构作为级联太阳能电池的中间电极,隔开了上、下吸收层,且可以作为独立电极引出,这样就消除了上下层之间晶格匹配和电流匹配的限制,且不需要中间隧道结。除了结构设计上的优势,金属孔洞阵列可以选择性的将短波光子反射回上层,并通过EOT效应将长波光子透射到下层,上下层中的光吸收都得到增强。以PCBM/CIGS级联太阳能电池为例,在很宽的结构参数范围内得到了40%的积分功率增强；也简单讨论了金属孔洞阵列结构在其他材料体系的级联太阳能电池中的应用。4.将二阶非线性材料和SPPs结合,利用高频低损的光波导模式,泵浦低频的杂化SPPs模式,通过波导中的参量放大过程,实现对SPPs信号的损耗补偿甚至是信号放大。利用780nm或775m的波导模式泵浦,在1550nm的杂化SPPs模式的传播距离延长至毫米量级。
【作者】张璇如；
【导师】陆亚林；
【作者基本信息】中国科学技术大学，光学，2014，博士
【关键词】表面等离激元；电磁场有限元；二氧化钒；智能窗户；级联太阳能电池；异常光学透射；表面等离激元波导；光参量放大；

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