基于表面等離激元的微納光子器件設(shè)計(jì).pdf

1、表面等離激元(Surface Plasmon Polaritons，SPPs)作為在金屬和介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ碾姶艌霰砻娌Ｊ?，是由于金屬中高密度的自由電子氣在入射光電場的激發(fā)下集體振蕩形成的。其具有高度的近場增強(qiáng)效應(yīng)、超衍射極限的光場局域性及對(duì)介電環(huán)境的高度敏感性等。利用SPPs這些不同于傳統(tǒng)光子模式的特性，可以增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用，如增強(qiáng)太陽能電池中的光吸收、增強(qiáng)光學(xué)非線性效應(yīng)等;因此在各種微納光子器件中有著廣泛的應(yīng)用前景。本論文從SP

2、Ps的基本原理和性質(zhì)出發(fā)，通過電磁場有限元模擬的方法探究其在多種器件中的機(jī)制和應(yīng)用。
　　本論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驟，研究了電磁場有限元的時(shí)諧傳播定解問題和波導(dǎo)本征值問題的數(shù)值方法。這些方法提供了本論文數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)。
　　2.研究了VO2/Ag雙層薄膜結(jié)構(gòu)和ZnO/VO2/ZnS三層薄膜結(jié)構(gòu)，同時(shí)提高了VO2智能窗戶對(duì)可見光的透過和對(duì)紅外光的調(diào)節(jié)性能。并利用金屬光柵結(jié)

3、構(gòu)提高了VO2薄膜作為光開關(guān)的消光比。
　　3.將金屬掩埋光柵結(jié)構(gòu)引入a-Si/μc-Si級(jí)聯(lián)太陽能電池的底部，由電磁場模擬的方法研究其對(duì)級(jí)聯(lián)太陽能電池中光吸收的影響，并對(duì)各結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)節(jié)作用和機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)的探究。結(jié)果表明，底部Ag掩埋光柵的加入，對(duì)上層a-Si層的吸收影響不大，但對(duì)下層μc-Si的兩個(gè)偏振方向都有著寬譜的吸收增強(qiáng)。SPPs、光波導(dǎo)模式、FP共振在同一結(jié)構(gòu)中不同的波段起著吸收增強(qiáng)的作用，積分載流子增強(qiáng)可達(dá)60％。另

4、外為進(jìn)一步降低成本，將下層Ag膜換為Al，采用Ag/Al雙金屬光柵結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)效應(yīng)仍十分可觀。
　　4.將具有光學(xué)異常透射（Extraordinary optical transmission, EOT）效應(yīng)的金屬孔洞陣列作為級(jí)聯(lián)太陽能電池上、下吸收層間的中間電極。這樣的中間電極隔開了上下吸收層，且可作為獨(dú)立電極引出，消除了上下層之間晶格匹配和電流匹配的限制，而且省去了中間的隧道結(jié)。除結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的優(yōu)勢外，金屬孔洞陣列可以選擇性的將短

5、波光子反射回上層，并通過EOT效應(yīng)將長波光子透射到下層，同時(shí)增強(qiáng)上、下吸收層中的光吸收。以PCBM/CIGS級(jí)聯(lián)太陽能電池為例，研究了金屬孔洞陣列的加入對(duì)電池光吸收的影響，并對(duì)周期200nm到1500nm的結(jié)構(gòu)中的機(jī)制進(jìn)行探究，同時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。當(dāng)孔洞陣列的周期變化范圍較大時(shí)，SPPs、磁等離激元（Magnetic plasmon polaritons，MPP）、局域表面等離激元（Localized surface plasmon

6、s，LSP）和光波導(dǎo)模式都在EOT和增強(qiáng)吸收中起作用。在很寬的結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍內(nèi)，都可以得到40％的積分功率增強(qiáng)。文中也簡單討論了金屬孔洞陣列結(jié)構(gòu)用于a-Si/μc-Si等其他材料體系的效果，可見該結(jié)構(gòu)適用于各種級(jí)聯(lián)太陽能電池的材料組合。
　　5.系統(tǒng)分析了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的二階非線性效應(yīng)的耦合波方程，并將此方程用于雜化SPPs波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，對(duì)高頻光支持低損的光波導(dǎo)模式，對(duì)低頻光支持損耗較高的雜化SPPs模式。我們利用780 nm或

7、775 nm的光波導(dǎo)模式泵浦，通過二階非線性效應(yīng)的參量放大過程對(duì)1550 nm雜化SPPs模式進(jìn)行損耗補(bǔ)償甚至是信號(hào)放大。研究表明，通過非線性的參量放大過程的補(bǔ)償，雜化SPPs的傳播長度可以達(dá)到毫米量級(jí)。
　　本論文創(chuàng)新點(diǎn):
　　1.利用多層薄膜結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，同時(shí)提高了VO2智能窗戶的可見光透過和對(duì)紅外光的調(diào)節(jié)性能。并利用金屬光柵結(jié)構(gòu)提高了VO2薄膜作為光開關(guān)的消光比。
　　2.將掩埋金屬光柵結(jié)構(gòu)引入a-Si/

8、μc-Si級(jí)聯(lián)太陽能電池底部，通過SPPs、光波導(dǎo)模式、FP共振等多種機(jī)制在不同波段的作用，在兩個(gè)偏振方向都得到寬譜的吸收增強(qiáng)。在下層可以得到60％的積分載流子增強(qiáng)。
　　3.利用具有EOT效應(yīng)的金屬孔洞陣列結(jié)構(gòu)作為級(jí)聯(lián)太陽能電池的中間電極，隔開了上、下吸收層，且可以作為獨(dú)立電極引出，這樣就消除了上下層之間晶格匹配和電流匹配的限制，且不需要中間隧道結(jié)。除了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的優(yōu)勢，金屬孔洞陣列可以選擇性的將短波光子反射回上層，并通過EOT

9、效應(yīng)將長波光子透射到下層，上下層中的光吸收都得到增強(qiáng)。以PCBM/CIGS級(jí)聯(lián)太陽能電池為例，在很寬的結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍內(nèi)得到了40％的積分功率增強(qiáng);也簡單討論了金屬孔洞陣列結(jié)構(gòu)在其他材料體系的級(jí)聯(lián)太陽能電池中的應(yīng)用。
　　4.將二階非線性材料和SPPs結(jié)合，利用高頻低損的光波導(dǎo)模式，泵浦低頻的雜化SPPs模式，通過波導(dǎo)中的參量放大過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)SPPs信號(hào)的損耗補(bǔ)償甚至是信號(hào)放大。利用780 nm或775 nm的波導(dǎo)模式泵浦，在1550