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新型表面等离激元波导的耦合效应及其设计

方宜娇  
【摘要】:本文首先介绍了表面等离极化激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs)及其SPP波导的各种新颖性质,例如超越衍射极限、反向耦合和干涉特性等。这些不同于传统介质波导的性质为人们基于SPP波导设计各种新型集成光路器件和实现光集成提供了出现了新的可能途径。本文中,我们基于SPP波导中反向耦合机制和干涉效应,提出了复合金属-介质-金属(MDM)波导结构。根据同样的物理机制,我们设计出一种新型的交叉结构波导,这种交叉结构波导具有较低损耗和较高的透射率。最后我们还提出了一种结构简单的新型波长选择器件的设计。论文主要内容包括以下几个方面: 1、论文详细回顾了现有报道的几种具有代表性的SPP波导结构和相应的特点,包括金属条形结构、金属-介质-金属(MDM)波导结构、介质-金属-介质(DMD)波导结构、v形槽结构、Λ型槽结构等等。在本文中,我们选取了金属-介质-金属(MDM)波导结构和介质-金属-介质(DMD)波导结构作为我们设计和研究的基本结构。 2、相互靠近的SPP波导会产生很强的耦合效应;特别是当一个有效折射率为正的SPP波导和一个有效折射率为负的SPP波导非常靠近时甚至出现反向耦合(我建议把这句话放在最前面,这样看接下来的内容更清晰)。利用SPP波导中反向耦合和干涉效应,论文提出了一种复合MDM波导结构,这种复合波导结构的横向尺寸不仅仅达到亚波长的尺度,而且能够实现分光器功能;在某些特定的条件下,这种新结构还可以实现开关功能。在我们的设计中,借助MDM波导高频支的负折射性质来实现有效折射率为负的波导,同时低频支MDM波导可以实现有效折射率为正的波导。通过选择适当的介质和频率等参数,当正有效折射率的波导和负有效折射率的波导在特定频段的传播常数非常接近时,且空间上当这样两个相邻的MDM波导足够靠近时,它们之间会产生反向耦合效应。我们以由银-磷化镓-银波导和两边的银-氮化硅-银波导构成结构为例,在选定频段中银-磷化镓-银波导具有负的有效折射率,而银-氮化硅-银波导具有正的有效折射率。理论分析和数值计算表明,当它们足够靠近时,从一支波导端口入射的能流将在几十纳米的尺度里完全的耦合到另一支波导中,并将沿着入射方向的反方向传播。基于此,我们设计了一个由银-磷化镓-银波导和银-氮化硅-银波导组成的三波导的复合MDM结构。两边的入射波可以反向耦合到中间的波导中并干涉叠加。从理论分析和数值模拟计算可以看出,在TM波入射的情况下,复合MDM波导结构可以实现分光器的功能,工作频段可以接近可见光区。需要注意的是,反向耦合效应一般发生在极短的尺度中,这使得这种光学分光器具有小型化的潜力。在某些特定的条件下,这种新结构同样可以实现开关的功能。利用同样的原理,借助上述两种MDM波导,我们还设计了一种交叉结构波导,使得水平和垂直的波导可以在结构上十字交叉并且几乎不影响波导中水平和垂直两个方向上SPP波原有的传播性质。 3、前面我们利用反向耦合和干涉的结合,设计了新的分光器和开关。然而,反向耦合不仅代表了两个波导中能量的反向流动,当我们将两个波导看做一个整体的复合波导时,这个波导的传播常数具有虚部,这意味着在复合MDM波导中,入射光将沿着传播方向衰减,从而无法透射。利用这个特性,我们在波导中引入反向耦合结构,从而实现了一种新型波长选择器件。对比传统的布拉格反射器所必须的若干个介电常数周期性变化的结构不同,这种新型波长选择器件具有简单、易于实现的结构特点,仅由一长一短两条平行的狭缝波导构成,更为简单明了。另外要注意的是,实现布拉格反射需要足够的周期,大约为六七个周期以上。对比起这一点,这种新的结构则需要大约100~200nm的长度,以保证带隙的存在和全反射的产生。与传统的布拉格反射器一样,我们在这种全反射结构引入了缺陷模式,从而使得在特定的频率下,带隙中出现了一个缺陷模共振引起的透射峰,最终实现了波长选择。通过理论分析和数值模拟计算,我们证实了此结构的可靠性。


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