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两种新型表面等离子体光波导的传输特性研究

郭亚楠  
【摘要】: 随着现代社会信息化程度的不断提高,对数据处理的速度也要求越来越快。由于受到现有电子学基本技术的限制,现代信号处理系统不得不借助于集成光学的手段来应对日益增强的挑战。但因为衍射极限的存在,由传统电介质构成的集成光学元器件在微型化和高密度化方面存在着根本性的困难。近年来,人们发现一种可以突破衍射极限的新思路。即在金属与电介质界面上存在一种电磁模式,其横向尺寸小于波长,可以实现对电磁场亚波长的束缚,所以从根本上突破了衍射极限的限制。这种将光场与金属中的电子耦合起来的电磁模式被称为“表面等离子体”。目前人们已经开始研究如何利用表面等离子体来实现亚波长的光学器件,其中表面等离子体光波导成为了一个研究热点。表面等离子体光波导是实现全光回路的基础,其设计、制作和应用对于集成光学元器件走向微型化和高密度化具有重要的意义。 本论文首先阐述了表面等离子体、表面等离子体激元和表面等离子体光波导的概念,然后对频域有限差分方法进行了简介。接着设计了两种新型的表面等离子体光波导结构,采用频域有限差分法对这两种波导的传输特性进行了分析和讨论。 本文的主要内容如下: (1)设计了一种双椭圆纳米金属棒表面等离子体光波导,讨论了波导几何参数和工作波长对其沿纵向的能流密度、有效折射率以及传播长度的影响。结果表明,基模沿纵向的能流主要分布在两个椭圆金属棒所形成的中间区域,且越靠近两个金属棒的弧形边,沿纵向的能流越大。因为通过调节两个椭圆金属棒的中心距离以及它们两个半轴的大小,可以调节模式的有效折射率和传播长度,所以这种椭圆金属棒表面等离子体光波导可以应用于光子器件集成领域和传感器领域。 (2)设计了一种具有三个圆形空气芯的表面等离子体光波导,讨论了波导几何参数和工作波长对其沿纵向的能流密度、有效折射率、传播长度以及模式面积的影响。并在相同的参数条件下,将所设计的具有三个圆形空气芯的表面等离子体光波导与已有的相似波导结构作了比较。最后,我们还讨论了使用增益介质作为波导芯区材料来克服较大传输损耗的可能性。结果表明,能流密度主要分布在三个圆形空气芯形成的左右两个楔形尖角区域的附近,且越靠近尖角处能流密度越大。在相同的参数条件下,本文所设计的波导具有较好的传输特性。当芯区材料由空气变成了具有较大介电常数的增益介质时,场的限制程度明显增加。同时增益介质对表面等离子体激元在传输中的吸收损耗起到了一定的补偿作用,所以传播距离明显增大。这些研究将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基础。


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