表面等离子体布拉格波导滤波器特性研究

论文摘要

表面等离子体激元是一种在金属和电介质表面激发的电磁场传播模式,它的一项重要用途就是能够实现亚波长尺度对光的控制。金属-绝缘体-金属波导（Metal-Insulator-Metal,MIM）作为表面等离子体波导的重要分支之一,具有独特的优势,成为了近年来光子器件研究的热点之一。本文中我们研究了基于MIM波导的布拉格滤波器的传输特征,设计了一些调节透射谱线特征的结构。首先,我们通过时域有限差分方法讨论了在MIM波导内传输的TM0模式的电磁场分布特征,通过采用TEM模近似推导出了金属布拉格波导滤波器的传输矩阵方程,同时使用时域有限差分方法和传输矩阵方法对这种滤波器的透射率谱线进行了数值计算,结果表明两种方法计算的结果吻合的很好。我们还讨论了该滤波器的各结构参数,研究了其对透射谱线的影响。进一步的我们讨论了该种这种金属波导滤波器的谱带调控方法,首先我们研究了禁带谱高阶谱线的调控,通过采用合适的周期单元长度配比,我们可以有选择的使高阶谱实现导带、禁带的互换,这为波长吸收滤波器的设计提供了有效的方法。然后我们分别通过改变这种二元金属波导滤波器结构内波导宽度的差异、介质夹层的折射率、渐变中心波长以及合并两滤波器禁带,实现了禁带谱宽度的增宽。最后在此基础上,我们设计同时滤除1310nm和1550nm波长的金属波导滤波器,为实际的应用提供借鉴方案。最后,由于这种金属波导滤波器中旁瓣的存在,我们讨论了该结构的高频和低频边带的切趾方法,提出了两种不同的切趾结构。并通过数值模拟方法,对比了其各自的透射谱带特点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文的主要工作
• 1.4 课题研究的意义
• 第2章 表面等离子体MIM波导基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 金属的光学性质
• 2.3 MIM波导内的传播模式
• 2.4 本章小结
• 第3章 数值计算方法及波导参数的讨论
• 3.1 引言
• 3.2 时域有限差分法
• 3.2.1 麦克斯韦方程组
• 3.2.2 各向异性介质完全匹配层及时域递推形式
• 3.2.3 激励源的设置
• 3.3 传输矩阵法
• 3.3.1 MIM波导中表面等离子体TM0模传输特点
• 3.3.2 不同宽度波导连接处的传输矩阵
• 3.3.3 周期波导的传输矩阵
• 3.4 两种方法的计算结果对比
• 3.5 波导参数的一些讨论
• 3.5.1 传播常数β
• 3.5.2 波导宽度w
• 3.5.3 波导夹层介质折射率n
• 3.6 本章小结
• 第4章 金属波导滤波器的谱带调控
• 4.1 引言
• 4.2 高阶谱带的调控
• 4.3 禁带谱宽度调控
• 4.3.1 改变波导宽度
• 4.3.2 改变波导夹层折射率
• 4.3.3 改变波导中心波长
• 4.3.4 双禁带合并
• 4.4 特定双波长吸收滤波器设计
• 4.4.1 两滤波器合并
• 4.4.2 高阶谱带实现
• 4.5 本章小结
• 第5章 金属波导滤波器的切趾及多元结构的讨论
• 5.1 引言
• 5.2 切趾
• 5.2.1 多周期矩形切趾
• 5.2.2 单周期非矩形切趾
• 5.3 多元结构的讨论
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢