金屬-絕緣體-金屬波導(dǎo)內(nèi)表面等離子體傳輸與控制.pdf

1、表面等離子體是強烈束縛在金屬和電介質(zhì)材料界面上的一種特殊的電磁場形式。近年來，由于其在亞波長尺度內(nèi)的對光的傳導(dǎo)能力，表面等離子體波導(dǎo)引起了廣泛的關(guān)注。一大批金屬結(jié)構(gòu)被當(dāng)做波導(dǎo)并應(yīng)用于集成光子線路中。在這些結(jié)構(gòu)中，金屬-絕緣體-金屬表面等離子體波導(dǎo)被認(rèn)為具有獨特的優(yōu)勢。相對于其它波導(dǎo)形式，它結(jié)構(gòu)更加緊湊，因而更容易集成到光學(xué)線路中去?；谶@些原因，我們研究了金屬-絕緣體-金屬波導(dǎo)中表面等離子體波的傳輸性質(zhì)，設(shè)計或研究了幾種基于金屬波導(dǎo)的表

2、面等離子體器件，實現(xiàn)了納米尺度內(nèi)對表面等離子體波的控制。本文的主要工作和研究成果可以概括如下：
　　利用數(shù)值模擬方法研究了表面等離子體納米腔中局域場的增強效應(yīng)。通過在厚度調(diào)制的金屬-絕緣體-金屬波導(dǎo)布拉格光柵中放置一個缺陷結(jié)構(gòu)來構(gòu)造一個腔。我們利用基于特征阻抗的傳輸矩陣方法來計算不同幾何參數(shù)下的腔的透過率譜和共振波長，并利用時域有限差分方法來獲取共振模的場分布以及驗證傳輸矩陣方法的正確性。計算和模擬結(jié)果表明，當(dāng)改變腔的幾何參數(shù)，如

3、光柵的調(diào)制周期、缺陷結(jié)構(gòu)的長度和寬度，腔的共振波長都會發(fā)生平移，共振強度也會發(fā)生改變。對于這些現(xiàn)象，本文給出了詳細(xì)的數(shù)值分析和理論解釋。
　　研究了金屬-絕緣體-金屬波導(dǎo)內(nèi)的基于周期支節(jié)結(jié)構(gòu)的表面等離子體反射器。本文利用傳輸線模型得到了關(guān)于表面等離子體波導(dǎo)周期支節(jié)結(jié)構(gòu)的一般性的理論模型及其性質(zhì)。研究表明，結(jié)構(gòu)的透過譜的周期和對稱性與結(jié)構(gòu)的周期和支節(jié)的長度之比緊密相關(guān)。此外，此結(jié)構(gòu)的透過率谷點可以分為兩種不同的類型，其性質(zhì)完全不同于

4、傳統(tǒng)的布拉格反射器。最后我們?nèi)匀焕脮r域有限差分方法驗證了我們的分析結(jié)果。
　　傳統(tǒng)多層膜理論中的抗反射的概念被引入到二維金屬-絕緣體-金屬結(jié)構(gòu)中來，實現(xiàn)了波導(dǎo)連接處電磁波的完全透射。這種抗反射結(jié)構(gòu)主要由一個諧振腔構(gòu)成，諧振腔則通過改變波導(dǎo)的絕緣層的寬度來實現(xiàn)。我們直接通過時域有限差分方法來實現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計。通過在入射波導(dǎo)內(nèi)構(gòu)造諧振腔結(jié)構(gòu)，我們設(shè)計了一種無反射的T型分束器結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步驗證這種基于諧振腔的抗反射結(jié)構(gòu)的有效性和通用性

5、，我們設(shè)計了一種不同寬度波導(dǎo)之間的增強透射轉(zhuǎn)換器。模擬結(jié)果表明這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)比較完美的抗反射功能。
　　研究了金屬-絕緣體-金屬表面等離子體波導(dǎo)內(nèi)的基于方形環(huán)腔的緊湊型添加/刪除耦合器。結(jié)果表明，由于環(huán)腔的四個拐角的影響，腔內(nèi)能夠存在行波和駐波兩種共振模式?；诜叫苇h(huán)腔，我們提出了一種新型的二維表面等離子體L型彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有緊湊的幾何尺寸以及極高的添加/刪除效率，這使得其能夠用于T型分束和X型交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)納米