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金属—介质—金属亚波长波导结构光学性质研究

年四炎  
【摘要】:表面等离子体激元(surface plasmon polaritons,SPPs)是一种沿着导体表面传播的波,是局域在金属表面的一种由自由电子和光子相互作用形成的激发态,利用SPPs与光场之间相互作用能实现对光传播的主动操纵和控制。利用SPPs开发的光子器件具有微型化、大容量、高集成等优点,为新型光子器件的发展提供了一个新的思路。本文就是在SPPs的理论基础上对新型纳米金属-介质-金属波导器件的特性进行了深入的研究,为其在实际中的应用提供了理论基础。 本文的主要工作和研究成果包括以下几个方面: 1.首先简述了与表面等离子体激元相关的理论,特别是表面等离子体的激发方式,为新型光波导结构的设计提供了思路。根据金属Drude模型,计算了金属Ag在不同波段对应的Drude参数,为数值仿真提供了依据。 2.在分析了SPPs的激发、传播和耦合规律的基础上,设计了一种新型的金属-介质-金属单通道光栅结构波导,利用FDTD方法对其进行数值仿真,仿真结果与相同外界条件下普通单通道直波导的结果进行了对比,发现利用光栅激发SPPs的手段是可行的,并且单通道光栅波导比起直波导具有明显的滤波效果。 3.通过单通道光栅波导的分析,肯定了光栅激发SPPs的作用,为了克服单通道中栅条阻碍表面等离子体波传播的缺点,对单通道光栅波导进行优化,设计出了具有对称结构的双通道光栅波导。双通道波导利用上通道激发、选频,利用下通道把SPPs波以光子的形式辐射出去。该结构不仅可以起到滤波效果,而且出射光场强也很高。 4.利用时域有限差分方法,在不同结构参数下,对输出光波的场强与波长的关系进行了分析,找出了最大输出光强对应的中心波长与结构参数的关系。这一结果为研制基于SPPs的新型滤波器提供了参考。


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