基于表面等离极化激元的高性能波分复用结构设计

发布时间：2020-03-23 10:09

【摘要】：表面等离极化激元(surface plasmon polaritons,SPPs)是一种在金属与介质界面传播的一种振荡电磁波,它是由导体表面的自由电子与外界电磁场相互作用引起的,SPPs能够突破衍射极限,且具有显著的局域场增强效应。利用这些特性,能够实现亚波长尺度内电磁波的传输与调控。因此SPPs成为近些年纳米光子学研究的热点之一,为高密度光学回路和光学芯片提供了重要的解决方案;同时,在光开关、光学天线、滤波器、太阳能电池等领域有着重要的应用。本论文首先重点研究了基于SPPs的光学滤波器,在金属-介质-金属(MIM)波导和等离激元谐振腔的基础上,提出了几种对称谐振腔滤波器,并基于优化的滤波器设计了具有高隔离度、低插入损耗的高性能波分复用器。本文采用了有限元法(FEM)进行数值模拟分析上述结构的光学传输特性,主要工作内容和结论如下:基于SPPs的对称槽形谐振腔滤波器设计。该结构由三部分组成:输入、输出波导和对称的槽形谐振腔,通过对比对称谐振腔和单边耦合谐振腔的透射性能,发现增加一个相对于波导对称、参数相同的谐振腔能有效提高结构的透射性能,透射率从0.672提高到了0.811,并从理论上分析了透射增强的原因。由于槽形结构的空间对称性比较低,所以其Q值不高(Q=11)。基于对称槽形谐振腔滤波器的品质因子不是很好,从谐振腔结构出发,又设计了对称盘形及环形谐振腔滤波器。相比槽形谐振腔结构,盘形谐振腔结构具有更高的空间对称性,滤波效果更好,具有更高Q值(Q=38),更适合应用于窄带滤波领域。而环形谐振腔滤波器,在800~1800nm波段内,出现了两个谐振模式,并且随着环中心半径的增加会出现新的谐振模式,表现出了多波长滤波的特点。在上述对称谐振腔滤波器的研究基础上,分别设计了基于对称盘形和槽形谐振腔的双通道及三通道波分复用器,通过COMSOL软件对结构进行数值仿真,分析其透射光谱后发现,各通道波长可通过改变结构的几何参数和折射率来调节,同时,为了避免多个滤波器组合配置的时候相互串扰,以及组合配置形成的必要结构对滤波模式的影响,需要对结构参数进行优化选择。基于对称谐振腔的1310/1550nm双通道波分复用器传输效率达到了70%左右,而且由于对称盘形谐振腔的Q值高,所以基于对称盘形谐振腔的波分复用器有着较高的隔离度(54.7dB);基于对称槽形谐振腔的波分复用器的系统体积更小,SPPs在其中传播时的损耗少,所以其插入损耗更小(接近1dB),更适合大规模集成的光子光路。以上这两种结构在亚微米波分复用领域有着重要的实际应用价值。最后我们又提出了1310nm、1490nm、1550nm的三通道波分复用器,经过仿真计算,三个通道都能顺利实现波分复用的功能。
【图文】：

关系图,表面等离极化激元,金属纳米线,谐振波长

图 1.1 (a)金属纳米线阵列原理图；(b)表面等离极化激元谐振波长与纳米线半径的关系图[8]。对于金属沟槽波导，如图 1.2a 所示，存在着一种基模和更高的模式，被称为沟槽等离激元（channelplasmonpolariton，CPP）。CPP 束缚于沟槽内，并沿着金属表面的沟槽传播。CPP的能量能被限制在沟槽的不同位置，这仅取决于电磁波的模式（波长）。CPP 的模式和传播距离可以通过锥度角进行调节，而为了有效的传导 SPPs，槽的深度不应小于基模的穿透深度。图 1.2a（ⅰ）和图 1.2a（ⅱ）为典型的沟槽波导，图 1.2a（ⅲ）显示了基模的场分布以及不同模式和波导的色散关系。如图 1.2b 所示，是一种与 CPP 波导相反的结构，叫做金属楔形波导（wedge plasmon polariton，WPP），WPP 波导与槽形波导非常相似，但能量仅局域在楔形边缘。楔角影响着能量局域的程度，，楔角越小，局域度越高。由金属纳米颗粒可以组成 Bragg 反射器，SPPs 射到 Bragg 反射器将发生全反射，反射角与入射角相等，反射系数达到 90%，如图 1.3 所示[13]。Bragg 反射器是 5 排规则排列的 Ag 粒п

金属槽,波导,槽形波导,楔形波导

2 (a)金属槽形 SPPs 波导。（a -ⅰ）槽形波导的 SEM 图[10]；（a -ⅱ）槽形波导的光学成像图；（a和槽形波导的色散关系[11]。(b)金属楔形 SPPs 波导。（b -ⅰ）楔形波导的 AFM 和近场图；（b -ⅱ式尺度和楔形波导的传播距离；（b -ⅲ）楔形波导的基模[12]。.3 (a)由 Ag 纳米颗粒组成的等离激元 Bragg 反射器，插图是反射器结构，箭头是 SPPs 出射和反
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O441.4;TN713

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