银纳米线波导的激发、损耗与互联特性研究

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光学互联可以解决电子互联在延迟、功耗、带宽等方面的限制,光学器件与电子器件的芯片集成可以充分发挥各自的优势,大幅提升信息处理系统的性能。银纳米线表面等离子体激元(SPP)能够将电磁波束缚在纳米尺度空间内传输,对波导尺寸没有限制,有可能做为纳米光学互联或器件。本论文主要从实验上研究化学合成的银纳米线SPP的激发特性、损耗特性、基于银纳米线及银纳米线与ZnO光波导结构的互联耦合特性。主要研究内容如下:使用探针将银纳米线弯曲成不同曲率的波导,并采用光学远场激发和探测的方式测量银纳米线的损耗。通过直银纳米线与弯曲银纳米线端面出射强度的比值扣除传输损耗,我们研究了置于玻璃衬底上银纳米线的弯曲损耗对曲率半径、银纳米线直径和激发波长的依赖关系,分别给出了激发波长分别为632.8nm和780nm时,直径约200nm和270nm的银纳米线的弯曲损耗系数与曲率半径的定量依赖关系。弯曲损耗随弯曲半径的减小而迅速增大,而随着银纳米线直径的减小而减小。研究结果可用于纳米集成光路中弯曲波导的优化设计。通过搭建银纳米线SPP的路由传输结构,在同一根银纳米线上改变SPP的传输距离而不改变激发条件,较为准确地测量了置于玻璃衬底上直径约为200nm的银纳米线的传输损耗。在激发波长为632.8nm和780nm时,分别测得传输损耗系数为0 115μm-1和0.0923μm-1,表明长波激发时的传输损耗小而短波激发时的传输损耗大。. 0.0923从实验上实现和研究了基于银纳米线波导的耦合器件,包括基于银纳米线的2×2端口分束器、S形银纳米线波导传输特性和基于银纳米线与ZnO光波导的耦合分束。通过改变耦合区长度,2×2端口分束器可以实现任意分束比;S形银纳米线可用于纳米光学互联,其SPP透过率仅与银纳米线的曲率和弧长有关,与端口的横向偏移距离无关;银纳米线SPP可以通过ZnO光波导激发,具有很高的激发效率,且银纳米线SPP也可以转换成ZnO光波导的传播模式;银纳米线可用于ZnO光波导间的互联,实现衍射极限下光信号在ZnO光波导间的传输,且具有波长选择性和结构依赖性。这些实验探索对纳米集成光路与介质光波导系统的兼容有参考价值。研究了四种银纳米线SPP的激发结构:银纳米线端面激发、颗粒—银纳米线耦合激发、弯曲点激发及纳米线交叠区激发。我们的实验表明银纳米线上对称性遭到破坏的结构都可用于远场激发SPP。使用银纳米线端面做为SPP激发源时,其激发效率对入射光场的偏振具有明显的余弦依赖关系,且余弦关系的初位相与激发波长和银纳米线端面形貌有关。
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