基于表面等离激元的亚波长滤波器研究

发布时间：2020-06-05 18:48

【摘要】：表面等离激元是一种出现在金属-介质交界面上的电磁波的特殊形式,它是一种沿着两种材料间的接触面传播的平面波,它最重要的特性是可以打破光的衍射极限,使电磁波的能量限制在纳米尺寸内,这一特点可以大大促进光学元件微型化的发展。光学元件本身就拥有许多电子元件无法比拟的优点,可以预见的是在不久的将来表面等离激元技术会在生产生活中广泛推广,光学元件逐步替代传统电子元件,通信所需的全光网络建成,通信速度和通信质量大幅度上升。同时,表面等离激元在生物医学、超导材料、光学增强等其他方面也有广泛的用途。本文的主要内容如下。首先主要论述了基于表面等离激元的亚波长滤波器的原理和设计。对表面等离激元技术所涉及到的理论知识进行介绍,衍射极限的理论推导,金属的色散关系,广泛用于模拟计算的金属色散模型Drude模型和实际中激发表面等离激元的方法等。表面等离激元并不能自动生成,须要达到一定的匹配条件才可以激发,文中会从原理和实际操作两方面对常见的几种激发方式进行叙述。对常用于表面等离激元计算的数值方法进行介绍。有限元法(FEM)和时域有限差分法(FDTD)是两种最常见的数值算法,我们将从理论上对两种算法详细介绍,并对比两种方法的优劣特点和适用范围。接着,我们对常见的表面等离激元滤波结构进行研究,这些常见结构是设计滤波器的基础,比如齿形、矩形谐振腔、环形谐振腔等等。从理论推导和仿真模拟两方面对所述滤波结构进行分析,得到了模型中不同的参数调整对滤波效果的定量影响。最后根据研究所得的结论,创新性的提出了环形缺口谐振腔滤波结构,使用仿真软件COMSOL Multyphysics对该模型进行分析研究,根据透射图谱等结果得知了该模型有良好的带通滤波效果,在表面等离激元滤波器的发展上有重要的应用价值。在文章的结尾,对整个研究过程进行归纳,根据已经得到的研究成果预测下一步的发展方向,发现研究当中的不足,对不足之处进行改进。
【图文】：

在表面等离激元的波导结构中，里面有两种类型是应用最为广泛的，一种是逡逑ＭＩＭ结构，即金属－介质－金属结构，另一种则是ＩＭＩ结构，即介质－金属－介质结逡逑构。如图２－１所示，如果是ＭＩＭ结构，那么①区域为为金属材料，②区域为绝逡逑缘介质材料。若为ＩＭＩ结构，则①区域为绝缘介质材料，②区域是金属材料。逡逑；逡逑①逡逑：；＇邋：．．．．．．．．．．．．．邋．邋。逡逑．逡逑．逡逑逦邋＇逡逑图２－１波导结构示意图逡逑对于两种最著名的表面等离激元波导结构——ＭＩＭ结构和ＩＭＩ结构的特性，逡逑区别如下，在ＩＭＩ类型的波导结构当中，表面等离激元的传播损耗较小，故而能逡逑够完成有效的远距离传播，但是这种结构的亚波长局域效应不好，与信息系统高逡逑度集成化的发展方向不符合。而ＭＩＭ结构波导有很强的光局域能力，传播距离逡逑虽然不如ＩＭＩ波导但也不短，另外ＭＩＭ波导结构还可以在更为宽广的波段区间逡逑内维持很高的群速度。从实际制作来讲，ＭＩＭ波导结构制作工艺较为简单，又逡逑有利于集成化的优点

图２－２邋ｏｔｔｏ结构逡逑
【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

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本文编号：2698460