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《哈尔滨工业大学》 2013年
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基于表面等离激元的非线性全光开关研究

石振东  
【摘要】:表面等离激元(Surface plasmon polaritons, SPPs)是一种沿着金属表面传播的电磁场模式。它具有在亚波长尺度上控制光波传播的能力,同时它还能对光进行局域增强;因此它为我们提供了一种在亚光波长尺度上实现低功率激光非线性的有效方法,这其中又特别是利用金属-绝缘体-金属(Metal-Insulator-Metal,MIM)波导的非线性光学器件,因其具有结构简单,容易集成等优势而成为最近十年的研究热点。本文将利用基于SPPs的金属-绝缘体-金属波导的这些优势进行全光开关设计和验证。 本文首先对MIM波导的色散方程进行了数值求解;分析发现经过周期性调制后的波导,光子在其中传播时会出现带隙,形成透射谱禁带。利用这一特点我们用改变绝缘体宽度的方法实现了纳米尺度的金属布拉格波导滤波器,并通过非对称切趾函数对其进行了改进设计,很好的实现了滤波器的旁瓣切趾。 然后用传输矩阵和布洛赫定理分析了缺陷模式布拉格波导的透过率特性,证明了缺陷的引入会导致波导的透过率禁带中出现缺陷模式。利用这一特点,我们设计了基于缺陷模式的布拉格波导全光开关,通过有限时域差分方法(Finite Difference of Time Domain, FDTD)验证了其可行性并讨论了全光开关的三个重要性能参数:消光比,泵浦光阈值以及开关响应时间。 该开关虽然有易集成、响应速度快等优点,但由于泵浦光和信号在空间上重叠不利于后续光路对信号光的进一步处理,因此接下来我们又讨论了对泵浦光的滤波。这部分的核心是对双支节金属波导的滤波特性分析及其FDTD验证;通过传输线理论的分析我们发现只需对支节的几个简单结构参数进行设定就可以实现对特定波长的光选择性滤波。我们通过仿真设计得到了对泵浦光滤波的双支节金属波导滤波器,一定程度上实现了信号光与泵浦光的空间分离。 本文最后,用FDTD数值方法对棱镜结构全光开关进行了模拟。在讨论了Otto结构中电介质层厚度与激发SPPs效果的基础上,确定了棱镜结构全光开关的结构参数。然后验证了开关的可行性并对其主要性能参数进行了讨论,为实际应用提供了参考。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TN25;TM564

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