基于表面等離子體激元的濾波器與解波分復(fù)用器理論研究.pdf

1、表面等離子體激元是一種沿著金屬-介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ碾姶疟砻娌?，由于其表面增?qiáng)和高度局域的特性，使得人們得以克服衍射極限，在亞波長尺度的金屬微結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)對(duì)光的傳導(dǎo)和操控。目前，表面等離子體激元的理論研究趨于成熟，逐漸形成完善的學(xué)科，并在集成光學(xué)領(lǐng)域占有關(guān)鍵的一席之地?；诒砻娴入x子體激元的應(yīng)用研究也已在多個(gè)領(lǐng)域取得突破進(jìn)展，包括集成波導(dǎo)、生物傳感檢測、納米光刻、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和新型光源等，從而極大地提升了光子器件的性能和光學(xué)回路的集成度。本文旨在幫

2、助推進(jìn)納米尺度下光波的操控和光子器件設(shè)計(jì)，因此，基于表面等離子體激元在集成波導(dǎo)方面的研究，我們提出一類新型的濾波器和解復(fù)用器。本論文主要的研究內(nèi)容如下：
　　首先，根據(jù)金屬的Drude模型，基于麥克斯韋方程組，理論分析了表面等離子體激元的色散特性，并介紹了表面等離子體激元的四個(gè)特征參數(shù)，以及根據(jù)波矢匹配在金屬表面將表面等離子體激元激發(fā)出來的方法。接著，介紹金屬-絕緣體-金屬（Metal-Insulator-Metal，MIM）波導(dǎo)

3、結(jié)構(gòu)的原理和性質(zhì)。
　　其次，簡要分析了本論文用到的研究方法，介紹了時(shí)域有限差分方法（Finite-Different Time-Domain，F(xiàn)DTD）的實(shí)現(xiàn)原理、激勵(lì)源設(shè)定、穩(wěn)定性要求和邊界條件等，并結(jié)合FDTD仿真軟件，對(duì)邊耦合和肩耦合這兩種諧振腔結(jié)構(gòu)的耦合模理論做了闡述，分析驗(yàn)證了它們的傳輸和反射特性。
　　然后，基于交叉形MIM波導(dǎo)的傳輸特性，我們將其與一組六邊形諧振腔耦合，設(shè)計(jì)出一種新型的濾波器結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中，兩

4、條MIM波導(dǎo)相互正交，構(gòu)成一個(gè)輸入端口和三個(gè)輸出信道。耦合模理論分析顯示，通過調(diào)整不同信道間的表面等離子體波之間的相位，可以使得濾波信道中的傳輸效率達(dá)到峰值。而這一過程可以直接通過調(diào)節(jié)諧振腔的位置來容易地實(shí)現(xiàn)。我們采用FDTD仿真對(duì)理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證，此外，仿真顯示在該結(jié)構(gòu)中，通過調(diào)節(jié)耦合距離可以優(yōu)化傳輸效率和線寬，還可以調(diào)節(jié)腔體的邊長和填充介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)工作波長的調(diào)諧。
　　最后，基于交叉波導(dǎo)上濾波器的理論研究，我們?cè)O(shè)計(jì)出一種新型的