含耦合谐振腔的表面等离激元波导的传输特性研究

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随着信息时代的到来,信息的需求量成爆炸式的增长,传统的电子器件已很难满足大容量信息储存,高速率信息传输的需求。相比电子器件,光学器件具有频率高,带宽大,损耗低等优点,这些特点使集成光路成为解决信息储存和传输问题的理想器件。但是基于传统光学原理的波导器件由于受到光的衍射极限的限制,并不能真正实现亚波长尺寸,因此,找到能够突破光的衍射极限的新技术和新机理成为集成光学发展的迫切需要。  表面等离激元是金属界面的自由电子俘获入射光波,在界面形成的一种混合激发态。表面等离激元能够突破光的衍射极限,将能量局域在金属-介质界面,基于表面等离激元设计的波导器件可以真正实现亚波长尺寸,被认为是最理想的纳米集成光路的信息载体。  本论文以表面等离激元金属-介质-金属(Metal-insulator-metal)波导器件为研究对象,主要工作和创新点包括以下两方面:  (1)根据紧束缚理论,提出了一种基于耦合谐振腔本征模式劈裂的表面等离激元多通道滤波器。推导了谐振腔的本征模式方程,接着用有限时域差分法和传输矩阵法数值模拟了系统的结构参数对传输特性的影响。发现当谐振腔的数目增多,本征模式劈裂产生的传输通道相应增加,并且传输通道数与谐振腔的个数相同;增大谐振腔之间的金属层厚度,模式劈裂的程度逐渐减弱,当金属层厚度较大时,模式劈裂现象消失。进一步发现,由于存在金属色散,将会导致表面等离激元谐振腔本征模式的非对称劈裂,反对称模式对腔腔耦合强度的依赖远大于对称模式,这个现象为设计一些性能优良的表面等离激元非线性器件例如双稳态开关,单通滤波器提供了重要思路。增大谐振腔与波导间的金属层厚度,可以很大程度地同时提高多个传输通道的品质因子;增大谐振腔的长度和腔内填充介质的折射率,可以同时调控多个通道红移,增大谐振腔的宽度,可以同时调控多个通道蓝移,因此我们可以很方便的通过改变腔的结构参数实现对多个通道位置的同时调控。  (2)提出了一种含双重边缘耦合谐振腔的表面等离激元截止型滤波器。用有限时域差分法数值模拟了系统的结构参数,如谐振腔与波导间的金属层厚度,谐振腔长度,宽度对系统传输特性的影响。对比单个边缘耦合谐振腔结构和双重边缘耦合谐振腔结构的传输性能发现,双重边缘耦合谐振腔结构具有更高的传输对比度,能够实现表面等离激元的完全截止,这可以很好的克服谐振腔的结构缺陷。增大腔的长度,截止波长发生红移,增大腔的宽度,截止波长发生蓝移,这样可以很方便的通过改变结构参数实现对截止波长位置的调控。提出的结构在横向和纵向的尺寸都只有几百个纳米,能够很好的实现光学集成。
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