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基于表面等离子激元的方形凹环结构微纳光学功能器件的设计

刘海瑞  
【摘要】:随着现代通信技术的飞速发展,虽然光作为传递载体在高速大容量信息传输方面取得了很大的进步,但是传统光子器件由于衍射极限的存在使其在性能和尺寸方面都已不能满足当下人们对信息高速传输的需求。表面等离子激元(SPPs)是一种在金属与介质交界面上传播的电磁表面波,它具有能够突破传统光学衍射极限以及强局域性的特点,可以引导和操控光在亚波长级别的传播。在常见的SPPs三层结构中,金属-介质-金属(MIM)结构不仅可以在纳米级别实现光的操控和传播,还可以在宽频谱范围内支持亚波长的高群速模式。本文基于表面等离子激元,利用边界耦合方法构造出了方形凹环MIM波导结构来实现微纳光学功能器件的设计,使用基于有限元(FEM)方法的COMSOL数值分析软件计算获得了波导结构的磁场分布、透射谱和共振波长分布曲线。对于所构造的方形凹环腔结构,其阻带最小透射比低至0.01,通带最大透射比可高达0.96,且通带顶部平滑,结果表明该结构可作为性能优良的带阻滤波器。研究发现,增大结构参数I、H会使其透射谱线出现明显的红移,且不同模式的阻带透射比也会随之改变;增大结构参数D可使波谷1的透射率增加至0.80,且最终消失,而波谷2、3则几乎不变;共振波长则与介质的有效折射率存在线性关系;经过结构参数的优化,可以使波导结构的品质因数从14.82提升到17.07;此外亦发现凹口方向和凹口数量的变化可导致不同波谷模式的分裂。随后对两种扩展结构进行了分析研究,当变换凹环横腔介质为银后,发现该结构仍然可以作为带阻滤波器,但其通带带宽有了较大范围的拓宽;当变换凹口对应波导管处介质为银后,发现由于金属挡板的引入,使该结构产生了Fano共振现象,其灵敏度可达到960 nm/RIU,系统品质因数为1412,此外通过对结构参数的进一步优化,其灵敏度可达到1000 nm/RIU,品质因数提高到1660。本文所设计的三种方形凹环波导结构,在带阻滤波器、光学开关以及生物痕量传感器等方面具有一定的应用价值。


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