亚波长表面等离子体槽型波导模式分析

论文摘要

1969年,美国贝尔实验室的Miller首次提出“集成光学”的概念,从此揭开了光子器件集成化研究的序幕。在过去的几十年,光子集成理论与光子器件制备技术都得到了长足发展。正如集成电子电路发展历程一样,光集成也朝着高集成度的方向发展。为了实现这一目标,必须设计出超小尺寸的光波导结构。基于表面等离子体的金属光波导可以突破衍射极限实现对光的亚波长约束,为未来实现纳米光子集成提供一种新的途径。本文首先研究了一种对称结构的槽型表面等离子波导,该波导由中间刻有一道凹槽的金属银薄膜嵌入无限宽度的均匀二氧化硅介质中构成,详细分析了其模场性质。这种对称结构的波导无论如何改变波导的尺寸以及改变入射波的波长,总会存在有约束模。同时这种对称结构波导能够将频率范围从0Hz到紫外线频率下的光波很好地约束起来,具有很宽的传输带宽。接着,我们研究了一种非对称结构槽型表面等离子体波导,其金属薄膜的上覆层和下基底的电介质材料不同。不同于对称结构的波导总会存在约束模,这种结构的波导存在一个截断槽宽、截断膜厚和截断波长,只有波导的尺寸和入射波长都在这些截断值之下,才会存在约束模,否则就有可能模场不约束而发生模场能量泄露。在此基础上,我们提出了一种由两根有限宽度的金属条构成的槽型波导,分析了该结构波导模场的对称分布和反对分布,这两种模式都为约束模。接着还提出了一种非对称结构的波导,其基底为金属,上覆层为电介质,并且在电介质中嵌入一根有限长度金属条,在金属条和金属基底之间也能够产生约束场。经过仿真结果的分析比较,在同等尺寸下,参考结构在基模下的传输长度要大于相应模式下其他结构的波导的传输长度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 表面等离子体波导发展趋势
• 1.3 表面等离子体研究热点及应用
• 1.4 论文的主要内容
• 2 表面等离子体理论
• 2.1 表面等离子概述
• 2.2 金属的光频特性及Drude 模型
• 2.3 色散关系
• 2.4 四个特征长度
• 3 FDTD 与COMSOL 仿真研究
• 3.1 引言
• 3.2 Maxwell 偏微分方程组及FDTD 的Yee 元胞结构
• 3.3 FDTD 算法的数值稳定条件
• 3.4 FDTD 算法的数值色散特性
• 3.5 FDTD 算法的激励源类型与设置
• 3.6 FDTD 算法的边界吸收条件
• 3.7 COMSOL 软件仿真过程
• 4 亚波长槽型表面等离子体波导模式分析
• 4.1 引言
• 4.2 波导材料参数
• 4.3 简化的表面等离子体槽型波导结构
• 4.4 对称结构的表面等离子体槽型波导模场分析
• 4.5 凹槽拐角效应
• 4.6 非对称结构的表面等离子体槽型波导
• 4.7 槽型波导的衍生结构
• 4.8 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 不足与展望
• 致谢
• 参考文献