基于硫系相变薄膜光栅的混合等离子波导电光调制特性研究

The Chalcogenide phase-change films have fast, reversible phase transition properties. The refractive index of Chalcogenide phase-change film changes significantly between its amorphous and crystalline states. Thus it has great potential in applications of photon control, which deserves further study. A novel type of sandwich plasmonic waveguide structure based on microfiber, Ge2Sb2Te5 (GST) film gratings and gold film is proposed in the project. Through the excitation of plasma mode in the structure, a strong optical field is activated between the microfiber and gold film, which can be used to study the electro-optic modulation characteristics of GST film. Combined with guide wave optics theory, the effect of different structure parameters on the filtering characteristics of GST nanogratings is simulated by using the finite element method. The structural change mechanism and optical performance of GST materials with different proportions in the process of phase transformation are revealed. The influence of different doping elements on GST film structure, thermal, electrical and optical properties are explored. The crystallization properties and phase transition characteristics of doped GST film are analized. Experimental methods are used to improve the GST crystallizaion speed and test the thermal stability, electro-optic modulation performance, and refractive index characteristics. The key factors which influence the electro-optic modulation characteristics of the composite plasmonic waveguide will be revealed and a solution will be found. The research of this project will provide new ideas and experimental references for the development of high performance GST optoelectronic devices.

硫系相变薄膜具有快速、可逆的相转变特性，其非晶态与晶态折射率变化显著，在光子调控的应用上有很大的潜力，值得深入研究。本项目提出一种新型的基于微纳光纤、锗锑碲相变薄膜光栅和金膜的三明治等离子波导结构。通过在结构中激发等离子模式，在微纳光纤和金膜之间锗锑碲层产生强烈的光场，来研究锗锑碲材料的电光调制特性。结合导波光学理论，采用有限元法模拟复合波导中不同结构参数对锗锑碲布拉格光栅反射滤波特性的影响，揭示具有不同配比的锗锑碲相变材料在相变过程中的结构变化机理和光学调控特性，探索不同掺杂元素对锗锑碲薄膜结构、热学、电学、光学等性能带来的影响，分析掺杂锗锑碲薄膜的结晶特性及相变特征。实验上提高锗锑碲材料的晶化速度，测试热稳定性、电光调制、折射率等特性，揭示复合等离子波导中影响锗锑碲薄膜电光调制性能的关键要素，并找到解决办法。通过本项目的研究，为研制高性能锗锑碲光电子器件提供新思路和实验参考。

本项目基于我们在布拉格光栅和复合波导电光调制器件两个方面的长期研究工作，进一步在以下三个方面开展了较为系统的研究：（1）高灵敏度光纤传感器的理论和实验研究。我们从理论上研究了涂有高折射率覆盖层的光纤布拉格光栅四层结构光学原件的调谐特性，对于具有负热光系数涂层材料的光纤布拉格光栅，其热稳定性通过选择最佳的光纤包层直径，可以有效地抑制其温度不稳定性；提出了一种基于磁流体包覆的微纳布拉格光纤光栅的磁场传感器，其在0-40mT和40-160mT磁场范围内，分别获得了36.2pm/mT和3.6pm/mT的波长灵敏度以及81.15%和94.83%的线性拟合度；研制了一种新型的二维空间单粒子的运动方向和速度的检测方法，粒子速度的精确测量大于2%且测量方向角在0◦到120◦范围内；通过布拉格光栅在多芯光纤中旋转写入的新方法，分析了其应变矢量特性，得到了旋转角度与应变曲率灵敏度之间的关系。（2）双面介质金属波导的光学特性及其传感应用研究：理论上提出了一种通过双面介质金属波导诱导Fano共振实现大范围Goos-Hänchen位移的方案和对称金属包层波导结构（SMCW）中基于双折射诱导游标效应的高灵敏度温度传感器。（3）超窄带多波段偏振不敏感等离子体激元完美传感吸收体和半导体纳米天线辅助太阳能超宽带光捕获吸收体的研究：从理论上提出了一种简单的超窄带多波段理想吸收体应用于传感，利用这种方法可获得最大带宽小于21nm，强度达到99.86%的近红外多重超窄带完美吸收；提出了一种基于砷化镓（GaAs）纳米天线的太阳能吸收器，在468至2870 nm的波长范围内实现近乎完美光吸收（90%以上），显示出对太阳辐射的超宽带和近似为1的光捕获，获得的短路电流密度高达61.947毫安/平方厘米。