改进对称波导结构的表面等离子激元传输特性研究

发布时间：2019-09-13 17:39

【摘要】：表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是通过改变金属表面的亚波长结构实现的一种光波与可迁移的表面电荷之间电磁模,可以支持金属与介质界面传输的表面等离子波,从而传输光能量,且不受衍射极限的限制。正因为SPPs这种独特的性质,使其在纳米量级操纵光能量的应用中发挥着重要的作用。本文的研究以对称SPPs波导结构为基础,旨在深入分析改进对称波导结构中的表面等离子体激元的放大与传播特性,为实现表面等离子技术在等离子芯片、光电集成的应用提供了方向。本论文主要做了以下几个方面的研究工作:首先介绍了表面等离子体激元的基本参数特性,分析了表面等离子体激元的色散关系,阐述了金属-介质、加载介质、长程、金属-介质-金属4类SPPs波导的发展概况,重点分析了Kretschmann结构的SPPs耦合模型。设计了一种改进的对称金属波导结构的SPASER(Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation)放大器,建立了改进MIM结构反转粒子束方程。通过有限元基模分析的方法验证了设计结构电磁场强局域化特性,FDTD分析进一步得出了结构可以提高近20倍的SPPs传播距离,能够实现在传播增强的同时不发生增益-补偿导致的不稳定现象。这一对称金属波导放大器的改进设计将为大规模集成光子学芯片设计提供理论和技术基础。设计了一种改进对称介质波导结构的SPPs器件,采用了加载玻璃的多层波导结构,引入了Kretschmann结构模型实现SPPs的激发,实现了无需牺牲波导亚波长尺寸提高SPPs传播距离的特点。FDTD分析结果表明:改进的波导结构能够显著增加SPPs传播距离和提高电场强度,大约提高了近20倍的SPPs传播距离。采用对比不同厚度的薄膜层发现:薄膜最薄时,局域化效果最好;改进结构能够显著增加SPPs耦合效果。这一结构为SPPs在新型光子器件、宽带通讯系统、微小光子回路、光电子集成等方面应用提供关键器件。
【图文】：

色散关系

面等离子体激元的基本色散关系PPs 是一种沿金属表面传播的倏逝表面波，是一种电磁模式，其产生原因金属内部的电荷密度的涨落。因此，SPPs 满足麦克斯韦方程。) SPPs 的色散关系PPs 激发条件和色散关系有不可忽略的关系，SPPs 它的色散特性满足如示的色散关系。如图 1-1 所示，实线表示表面等离子体电磁波的色散关系波的方向平行于光滑金属平面；虚线则表示电介质中光的色散关系。从我们可以明显的看出，频率不超过 6×1014Hz 的时候，SPPs 沿金属表面传关系与介质(如真空)中的电磁波的色散关系十分相似，但是，随着频率大，表面等离子体波的传播慢慢远离介质中的电磁波，不断下降并逐渐属表面等离子体共振频率的数量级。对于平常金属的光滑平面而言，这质使得等离子体波在高频情况下直接穿透金属，从而很难与入射光波发用，，在近红外和可见光范围内，效果更为显著。

示意图,表面等离子体,示意图,传波

图 1-2 表面等离子体传播示意图的介电常数分别为1ε 和2ε ，且1ε 和2ε 均与求解 Helmholtz 方程 022 E +kE=会得到一达式：effnccωεεωεεβ =+=1212折射率。导结构中的传波损耗很大程度上取决于表面对其光学器件和光路的大小和尺寸起到了决损耗与传播距离成反比：0 020log( ) 8.686 8.686 (dB/meff eff pα = e k N ′ ≈ k N ′=L数的关系结合上述分析可知表面等离子体激1 20 02SPPπε ελ λ λβ ε ε+= = <
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN252

【参考文献】