混合等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中光傳播和場(chǎng)局域特性研究.pdf

1、納米光波導(dǎo)是實(shí)現(xiàn)超高集成化光子器件的重要組成部分。目前已經(jīng)提出了多種類型的納米光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，主要分為：介質(zhì)波導(dǎo)、光子晶體波導(dǎo)和表面等離子體波導(dǎo)。此外在納米光波導(dǎo)中引入缺陷可以構(gòu)成光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)。光學(xué)微腔在研究光與物質(zhì)的相互作用，納米激光器等領(lǐng)域有著極其重要的應(yīng)用，同時(shí)也是集成光路中的一類基本光學(xué)組件?，F(xiàn)階段提出的光學(xué)微腔存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大、難以制備、模體積大等問題。針對(duì)上述問題，本文基于絕緣層上硅(Silicon-On-Insulato

2、r，SOI)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一種具有較小模體積、高品質(zhì)因子且便于制備的混合表面等離子體波導(dǎo)（hybrid plasmonic waveguide，簡(jiǎn)稱HP波導(dǎo)），并對(duì)其進(jìn)行了尺寸優(yōu)化及傳感特性的研究。
　　本文結(jié)合了傳輸矩陣法和麥克斯韋方程組，推導(dǎo)出了一維 HP波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中混合模式的色散關(guān)系。采用有限元法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）分析了光場(chǎng)在波導(dǎo)中的模場(chǎng)分布及傳播長度隨結(jié)構(gòu)尺寸、材料的介電常數(shù)等參數(shù)的變化關(guān)系

3、，為下一步設(shè)計(jì)基于周期性混合波導(dǎo)的微腔結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。
　　基于以上述研究得出的變化關(guān)系，本文通過在周期性 HP波導(dǎo)中引入結(jié)構(gòu)缺陷來產(chǎn)生缺陷態(tài)。本文利用COMSOL Multiphysics軟件建立了相應(yīng)的二維模型，分析了二維周期性 HP波導(dǎo)微腔結(jié)構(gòu)中光場(chǎng)的傳播及局域特性。為了使缺陷態(tài)模式具有最小的模體積，優(yōu)化了波導(dǎo)的幾何結(jié)構(gòu)并確定了模體積最小時(shí)波導(dǎo)的最佳寬度。
　　本文進(jìn)一步建立了三維周期性 HP波導(dǎo)微腔結(jié)構(gòu)，研究了波導(dǎo)中

4、缺陷的尺寸，材料及周期數(shù)目等對(duì)混合模式傳輸特性的影響。利用混合表面等離子波導(dǎo)能夠?qū)⒐鈭?chǎng)限制在深亞波長尺度同時(shí)還具有低損耗的特性，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)出了有效模體積為0.005?m3，珀塞爾因子為3750的波導(dǎo)微腔。數(shù)值研究了介質(zhì)層折射率的變化及在缺陷位置加入微小金屬條后波導(dǎo)的傳輸特性，結(jié)果表明基于HP波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的納米微腔不僅具有很高珀塞爾因子而且具備良好的傳感特性。
　　本文的研究結(jié)果為基于表面等離子體的波導(dǎo)元器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依