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硅基金属狭缝表面等离子体波导的设计与研究

冯思远  
【摘要】:近年来,由于表面等离子体表面局域化和近场增强的特性,使得其可以突破传统光波导存在的衍射极限,在亚波长尺度传输和限制光。因此,它被认为是最有可能实现光学器件微型化、高度集成化的研究方向,成为国内外研究的热点。基于表面等离子体的光波导结构如雨后春笋般被不断提出和研究,人们希望可以利用表面等离子体光波导实现光电集成及全光集成。在众多表面等离子体波导结构中,金属-介质-金属结构所具有的高度限制性和结构简单的特性,使得其更容易集成到光学回路中。本文以电磁场理论和表面等离子体光子学理论为基础,采用时域有限差分法,设计研究一种硅基金属狭缝表面等离子体波导,仿真分析了其模式场分布、亚波长传输特性、耦合特性,说明了这种波导结构在光电集成领域的优势。 本文主要内容如下: 首先,介绍了表面等离子体的基本理论。研究了金属的光学特性,简述了表面等离子体激发方式,分析了其传输特性和色散关系,为表面等离子体波导的设计和研究提供理论基础。 其次,从理论和数值模拟出发,研究了金属-介质-金属表面等离子体波导的电磁场分布和传输特性,并且介绍了基于金属-介质-金属波导结构的三维金属狭缝表面等离子体波导,采用时域有限差分法分析了这种波导结构的优缺点,提出了一种弥补其缺点的方法。 最后,提出了一种硅基梯形金属狭缝表面等离子体波导结构,并采用时域有限差分方法对所设计的波导结构进行了数值模拟,分析了其在基模传输时的模式场分布与金属结构顶角的关系以及其能量限制性,并研究了该波导结构在不同金属材料下的有效折射率和传播长度对芯层宽度的依赖关系,讨论了两个该波导结构之间的耦合长度、最大转移功率和彼此间的串扰。研究结果表明这种波导结构有更加优异的限制性,微米级的传输长度,和微米级的波导间距来避免串扰,可以应用在光集成和光电集成领域。


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