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金属-绝缘体-金属波导内表面等离子体传输与控制

刘建龙  
【摘要】: 表面等离子体是强烈束缚在金属和电介质材料界面上的一种特殊的电磁场形式。近年来,由于其在亚波长尺度内的对光的传导能力,表面等离子体波导引起了广泛的关注。一大批金属结构被当做波导并应用于集成光子线路中。在这些结构中,金属-绝缘体-金属表面等离子体波导被认为具有独特的优势。相对于其它波导形式,它结构更加紧凑,因而更容易集成到光学线路中去。基于这些原因,我们研究了金属-绝缘体-金属波导中表面等离子体波的传输性质,设计或研究了几种基于金属波导的表面等离子体器件,实现了纳米尺度内对表面等离子体波的控制。本文的主要工作和研究成果可以概括如下: 利用数值模拟方法研究了表面等离子体纳米腔中局域场的增强效应。通过在厚度调制的金属-绝缘体-金属波导布拉格光栅中放置一个缺陷结构来构造一个腔。我们利用基于特征阻抗的传输矩阵方法来计算不同几何参数下的腔的透过率谱和共振波长,并利用时域有限差分方法来获取共振模的场分布以及验证传输矩阵方法的正确性。计算和模拟结果表明,当改变腔的几何参数,如光栅的调制周期、缺陷结构的长度和宽度,腔的共振波长都会发生平移,共振强度也会发生改变。对于这些现象,本文给出了详细的数值分析和理论解释。 研究了金属-绝缘体-金属波导内的基于周期支节结构的表面等离子体反射器。本文利用传输线模型得到了关于表面等离子体波导周期支节结构的一般性的理论模型及其性质。研究表明,结构的透过谱的周期和对称性与结构的周期和支节的长度之比紧密相关。此外,此结构的透过率谷点可以分为两种不同的类型,其性质完全不同于传统的布拉格反射器。最后我们仍然利用时域有限差分方法验证了我们的分析结果。 传统多层膜理论中的抗反射的概念被引入到二维金属-绝缘体-金属结构中来,实现了波导连接处电磁波的完全透射。这种抗反射结构主要由一个谐振腔构成,谐振腔则通过改变波导的绝缘层的宽度来实现。我们直接通过时域有限差分方法来实现最优化设计。通过在入射波导内构造谐振腔结构,我们设计了一种无反射的T型分束器结构。为了进一步验证这种基于谐振腔的抗反射结构的有效性和通用性,我们设计了一种不同宽度波导之间的增强透射转换器。模拟结果表明这种结构能够实现比较完美的抗反射功能。 研究了金属-绝缘体-金属表面等离子体波导内的基于方形环腔的紧凑型添加/删除耦合器。结果表明,由于环腔的四个拐角的影响,腔内能够存在行波和驻波两种共振模式。基于方形环腔,我们提出了一种新型的二维表面等离子体L型弯曲波导结构。这种结构具有紧凑的几何尺寸以及极高的添加/删除效率,这使得其能够用于T型分束和X型交叉波导结构中,实现纳米尺寸内的电磁能流方向控制。我们利用时域有限差分方法研究了加装了方形环腔后的波导连接结构内的表面等离子体传播模式。


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