【摘 要】
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表面等离激元(Surface plasmon polaritons,SPP)因其特殊的光学性质,可以在纳米尺度范围内实现对光的操控。但在SPP的应用研究中,仍然存在着损耗和模场限制之间的矛盾以及金
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表面等离激元(Surface plasmon polaritons,SPP)因其特殊的光学性质,可以在纳米尺度范围内实现对光的操控。但在SPP的应用研究中,仍然存在着损耗和模场限制之间的矛盾以及金属材料的物理特性不可控等问题。针对这两个问题,本文利用N型金属-绝缘体-半导体(Ag/ZrO2/Si)结构提高重掺杂半导体表面的电子浓度,使得在1.55μm通信窗口处掺杂半导体内的介电常数实部降为负值,并在此基础上开展了基于金属-绝缘体-半导体(metal-insulator-semiconductor,MIS)结构的可控SPP波导的研究。论文的主要工作和研究结果如下:(1)基于MIS结构的量子力学模型,研究了MIS结构内电子浓度的积累随外加电压的变化,并在此基础上利用Drude模型得到了电子积累区的复介电常数的分布。结果表明对于适当的MIS结构,当外加电压足够高时半导体表面附近的电子浓度可以增加2~3个数量级,介电常数实部能够降为负值。(2)研究了MIS结构内的电子积累区和整个MIS结构所支持的电磁模式及其局域特性。结果表明在不同电压下电子积累区可以形成狭缝泄漏模式或近零介电常数(epsilon-near-zero,ENZ)模式,且它们与金属-绝缘体界面支持的SPP模式耦合能形成一种具有低损耗、强局域特性的可控的杂化SPP模式。(3)根据MIS结构中的杂化SPP模式的有效折射率和消光系数随电压变化的特点,提出了一种微米尺寸的硅基光调制器,仿真结果表明该器件可实现纯振幅调制,调制效率达2.3 dB/μm。
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