表面等离子体激元在光学可调谐滤波器中的应用

发布时间：2020-05-04 18:43

【摘要】：光通信领域作为信息领域的重要支柱之一,近来不断高速发展。随着不断精进的纳米材料加工技术,为了解决器件发热高、尺寸大、集成度低等一系列制约光通信发展的问题,科研人员在光通信领域基于表面等离激元将光通信器件和纳米结构结合起来,并对其应用进行研究。基于表面等离激元的光通信器件具有优越的特性。它可以有效降低能量损耗,提高集成度,构建亚波长级别光器件。表面等离激元能在纳米尺度上传递电磁波,有效突破衍射极限,且兼具增强透射的能力,因此在未来的光通信器件发展中必将占有重要的位置。金属—绝缘体—金属(metal-insulator-metal,MIM)波导有利于激发表面等离激元,且结构简单易加工性质优秀,不少科研人员都提出了基于MIM波导结构的光通信器件,比如马赫曾德干涉仪、光开关、光传感器等。因此了解MIM波导中表面等离激元的生产原理和物理性质相当重要。基于此,本文主要完成了以下工作:首先,本文研究了金属的Drude模型,从麦克斯韦方程组的积分形式开始,讨论了表面等离激元的物理色散关系,以及表面等离激元波导的Poynting计算公式,并介绍两种重要理论模型:耦合模理论以及散射矩阵理论,为后文提供理论支撑。其次,在理论和仿真的方面讨论了单梯形腔和双梯形腔等离子体带阻滤波器的特性,同时还研究了随腔体尺寸变化对系统透射谱图的影响,并将其作为基本结构,进一步分析了多梯形腔等离子体带阻滤波器的性质。最后,综合上述的研究分析,本文提出了单边和双排三梯形腔等离子体带阻滤波器。这两种滤波器具有带阻滤波范围容易调谐的特点,且前者适用于窄阻带的情形,后者适用于宽阻带。通过基于有限元法的Comsol软件对结果仿真计算,作图比较仿真数据的结果,尝试解释了滤波器透射谱图中Fano峰形成的原因。综上所述,本文的研究成果对光通信纳米器件领域的研究和等离子体滤波器具有一定意义,也对进一步设计出更好的等离子体滤波器提供了理论依据,对微纳米级别光通信器件设计和仿真具有积极意义。
【图文】：

学者基于表面等离激元进行研究，并获得重大进展［１２＿１４］。逡逑在金属表面光子和自由电子通过相互作用形成电磁振荡的现象，称为表面等逡逑离激元（ＳＰＰｓ），如图１－ｌａ所示。固体物质由带正电的离子和自由电子组成。等离逡逑子态是固体中的电子受激跃迁到高能级的状态。在某些特定频率光入射后，金属逡逑和绝缘体交界面处的电子与光子发生激烈的集体振荡，生成一种带有能量的表面逡逑波，，它就是表面等离子体激元。想要在金属薄膜上将表面等离激元激发出来，就逡逑必须要使入射光的某些条件得到满足［１３，１４］。而表面等离激元共振（ｓｕｒｆａｃｅ邋ｐｌａｓｍｏｎ逡逑ｒｅｓｏｎａｎｃｅ，简称ＳＰＲ）的形成与这些入射光有很大的关系，只有当局域在纳米金逡逑属结构表层的自由电子与入射光之间发生共振时才会出现ＳＰＲ。在这种共振效应逡逑的影响下，金属结构表层的光场能量被强烈局域在亚微米尺度内。从图１－ｌｂ可逡逑以看出在绝缘体和金属的交界处，ＳＰＰｓ的磁场强度值达到最大，坐标轴的横轴逡逑代表这两种介质的垂直方向

学者基于表面等离激元进行研究，并获得重大进展［１２＿１４］。逡逑在金属表面光子和自由电子通过相互作用形成电磁振荡的现象，称为表面等逡逑离激元（ＳＰＰｓ），如图１－ｌａ所示。固体物质由带正电的离子和自由电子组成。等离逡逑子态是固体中的电子受激跃迁到高能级的状态。在某些特定频率光入射后，金属逡逑和绝缘体交界面处的电子与光子发生激烈的集体振荡，生成一种带有能量的表面逡逑波，它就是表面等离子体激元。想要在金属薄膜上将表面等离激元激发出来，就逡逑必须要使入射光的某些条件得到满足［１３，１４］。而表面等离激元共振（ｓｕｒｆａｃｅ邋ｐｌａｓｍｏｎ逡逑ｒｅｓｏｎａｎｃｅ，简称ＳＰＲ）的形成与这些入射光有很大的关系，只有当局域在纳米金逡逑属结构表层的自由电子与入射光之间发生共振时才会出现ＳＰＲ。在这种共振效应逡逑的影响下，金属结构表层的光场能量被强烈局域在亚微米尺度内。从图１－ｌｂ可逡逑以看出在绝缘体和金属的交界处，ＳＰＰｓ的磁场强度值达到最大，坐标轴的横轴逡逑代表这两种介质的垂直方向
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN713;TN929.1

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本文编号：2648829