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蝴蝶形中空表面等离子体光波导的传输特性

段欣  
【摘要】:随着社会的发展,信息呈海量增长,现代通信系统中需要处理的数据愈来愈多。这种形势迫切需要信息处理的速度必须不断地提高,但是提高的速度逐渐地开始受到现有的电子学和光子学技术的限制。对于尺寸在纳米量级的电子线路来说,由于RC振荡回路中存在着时间延迟,其传输速度很难进一步提高;对于传输速度很高的具有很大信息容量的光学回路来说,电介质受到衍射极限的影响,其尺度范围局限在了微米量级上。近年来,人们发现在金属和电介质分界面上激发的一种电磁模式可以突破衍射极限。这种电磁模式是光场与金属中的电子相耦合形成的集体振荡,它的特征长度都比在介质中的特征长度要小,从而实现了亚波长约束,被称为“表面等离子体激元(Surface Plasmon Polariton)”。由于既融合了电子技术的紧凑性,同时又具有光网络的巨大带宽,表面等离子体回路(Surface Plasmonic Circuits)已经开始受到广泛的关注。 本论文首先对表面等离子体学、表面等离子体激元和表面等离子体光波导的研究状况进行了综述,并且简单介绍了频域有限差分法。接着对蝴蝶形中空表面等离子体光波导的传输特性进行了深入分析,然后与两种不同结构的光波导的传输特性做了详细的比较,最后讨论了增益介质对该波导传输特性的影响。 本文的主要内容: (1)设计了一种蝴蝶形中空表面等离子体光波导,并对其传输特性进行了研究。即分析了这种波导所支持的基模沿纵向的能流密度分布、有效折射率、传播长度和模式面积随几何参数和工作波长的变化关系。结果表明:基模沿纵向的能流主要分布在由四个圆洞所构成的上下两个尖角之间的区域,且越接近尖角,沿纵向的能流越大。对中空圆洞的半径、上下两排圆洞圆心间横向距离和左右两列圆洞圆心间的纵向距离进行调节,模式的有效折射率、传播长度和模式面积也随之变化。因此这种蝴蝶形中空表面等离子体光波导可以在光子器件集成领域和传感器领域中广泛的应用。 (2)在相同的参数条件下,将所设计的波导与由两个和三个空心圆柱构成芯区的表面等离子体光波导分别进行了比较。结果表面,蝴蝶形中空表面等离子体光波导具有较好的传输特性。 (3)讨论了当波导芯区内填充增益介质时,传输特性所受到的影响。结果表明,由于介电常数较大的增益介质的存在,使得场的限制程度大大提高,而且 传播距离也明显增大。 本文的研究为实现集成光学元器件的微型化和高密度化奠定了理论基础,且为未来的全光通信和全光器件的设计、制作和应用提供一定的理论依据。


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