摘要
信息化程度的逐渐加深催生了光子集成电路的迅猛发展，非线性光学过程能够将光的波长缩小，从而进一步推动光子集成电路的小型化。设计能够实现片上集成的可见光波长范围内的光源将有助于拓展可利用的通信带宽。同时，为了提升微纳尺度下进行光源调控的自由度，构建特殊的微纳结构将有助于提升微纳光源的可调谐性。当前光学微腔和光学天线是两种微纳尺度下主流的非线性光学研究平台。其中，光学微腔的研究更多地集中在微球腔、微环腔和微盘腔等结构，而缺乏对具有较高可调谐性的六棱锥光学微腔的研究。对于光学天线，目前仍缺少结合不同构型光学微腔以实现更丰富的非线性光学调控的研究。有鉴于此，本文从能将光场束缚在腔体内部以增强光与物质之间相互作用的光学微腔出发，并结合能够实现定向辐射的可见光波段全介质光学天线，进一步研究微纳尺度下对光源的更多调控手段。主要研究内容如下： （1）通过单点激发，实现了在GaN六棱锥光学微腔阵列中产生多点光源，并通过数值仿真解释其成因来自于入射光在空气和基底介质层中的传播。随着激发位置的下移，阵列结构的发光区域呈现扩大趋势，并表现出从绿光向黄光的转变。同时，通过调节聚焦程度，实现了对发光范围的控制。针对发现的六点式耳语回音壁模式（WhisperingGalleryMode,WGM）进行了仿真分析，结果表明334.66THz的本征频率下，半径为1.5μm、高度为3μm的六棱锥的Q值为18.946，其光泄漏提供了更丰富的光学效应，导致了六棱锥之间的干涉条纹和多点光源的产生。 （2）在GaN六棱台光学微腔阵列的顶部进一步生长ZnO纳米棒，形成GaN/ZnO复合超材料。通过多种调控方法实现了非线性光的定向辐射和精细化控制。除此之外，对复合结构顶部的ZnO光学天线产生的较强非线性光学效应也进行了研究，通过数值仿真发现，当半径为225nm时，其在900nm的入射波长和半波长450nm附近存在双谐振现象，其最大二次谐波产生（SecondHarmonicGeneration,SHG）效率为1.05×10-7。为了实现更丰富的可调谐性，通过改变入射角度，在90°的侧向入射下实现了单向辐射，同时也研究了偏振角度对SHG强度的调控。 本文提出的基于多层基底阵列结构中的多点光源产生机制以及非线性光源的多种调控方法，可以迁移并运用到类似的器件结构设计中去，促进片上光源的发展，并在光子集成电路中有着多场景的潜在应用价值。
NETL