【摘 要】
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光学微腔是一种构造简单,应用广泛的基础光学元件。对于光学器件来说,极小的尺寸和高集成度是十分重要的,光学微腔的尺寸一般在几微米到几百微米之间,可以满足这一要求。同时光学微腔具有较好的品质因数和极低的模式体积,这些突出的优势使得光学微腔发展迅速,不仅局限于传统光学,在量子信息和集成量子芯片方面更是拥有广阔的应用前景。下面选取新型二维材料黑磷创建了四种光子晶体微腔结构,并在表面等离子体理论的基础上对这
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光学微腔是一种构造简单,应用广泛的基础光学元件。对于光学器件来说,极小的尺寸和高集成度是十分重要的,光学微腔的尺寸一般在几微米到几百微米之间,可以满足这一要求。同时光学微腔具有较好的品质因数和极低的模式体积,这些突出的优势使得光学微腔发展迅速,不仅局限于传统光学,在量子信息和集成量子芯片方面更是拥有广阔的应用前景。下面选取新型二维材料黑磷创建了四种光子晶体微腔结构,并在表面等离子体理论的基础上对这几种结构的传输特性进行深入的研究,为黑磷在光学器件中的应用提供了思路。首先,构建了两种基于黑磷的一维光子晶体微腔结构,一是由黑磷和二氧化硅构成周期性布拉格光栅,分析了结构周期数量、缺陷腔长度和介质层厚度对禁带的影响。之后添加缺陷层,基于光子晶体的局域特性,分析结构参数与微腔特性间的关系。二是由黑磷作为缺陷腔材料,分析周期数量和腔长对腔特性的影响,并对缺陷层两侧介质不同进行比较。结果表明,这两种结构均构造简单,且具有较小尺寸和突出的特性,实现了在微腔内对入射电磁波激发出的模场能量的高度局域。其次,构建了介质-黑磷-介质型表面等离子激元光子晶体微腔,选取黑磷代替传统波导结构中的金属,结合中心位置的缺陷,得到新型波导微腔结构。利用时域有限差分法对结构参数对微腔特性的影响进行了分析,并通过确定参数改善了微腔性能,最终得到了谐振波长为574nm的微腔,品质因数Q为1223,模式体积V为3.4×10-4(λ/nm)~3。将液晶盒置于缺陷腔中,得到外加电压与谐振波长之间的显著关系,确定该结构能够应用于滤波器中。最后,构建了黑磷-介质-黑磷型表面等离子激元光子晶体微腔,并分析研究了此波导结构的传输和电磁场分布特性。利用时域有限差分方法研究微腔周期数量、微腔长度、介质层厚度、介质层折射率与品质因数、模式体积间的关系。结果表明,通过适当调节结构参数得到了较好的品质因数的同时实现了亚波长的模式体积,Q/V的值高达5.79×10~6,对于有效地减小光子器件的结构尺寸且突破衍射极限方面有重要的研究价值。
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