用于金属-绝缘体-金属波导的光纤连接器设计和优化

发布时间：2020-07-16 15:24

【摘要】：基于表面等离激元的纳米波导能够使光学系统突破衍射极限,可用于超分辨率光学成像,光通信和超高密度信息存储等领域。金属-绝缘体-金属(MIM)结构是表面等离子体纳米结构中最具潜力的,它能极大地减小纳米聚焦过程中产生的损耗。但其本身存在问题:MIM波导的金属部分通常吸收较强,因此其长度是有限制的;另一问题是表面等离激元的激发效率比较低。这使它难以应用于实际的聚焦过程。针对MIM波导在纳米聚焦中的问题,本文基于电磁理论和近场光学理论,提出了一种全新的连接器结构——光纤-MIM波导连接器。它能将光纤纤芯与MIM波导相连,其原理是光纤中的电磁能量经过连接器耦合进入MIM波导,并最终在MIM波导中完成纳米聚焦过程。本文的主要工作如下:(1)设计了光纤-MIM波导连接器。连接器由两部分组成:一个“杯”形状的结构,材料为光塑性环氧树脂SU-8,其“杯”结构供光纤纤芯插入;另一部分是在“杯”的背面紧贴着的一块厚度为几十纳米的金属屏,金属屏上有矩形孔,供MIM波导插入。根据基本的电磁理论和近场理论,对连接器进行了理论分析,分析表明连接器具有高光学效率。在此基础上,提出了一种可能的连接器制作方法。(2)针对设计得到的光纤-MIM波导连接器,利用时域有限差分法(FDTD)对其进行数值仿真,数值计算的结果符合理论预期:连接器在MIM波导中高效激发出了表面等离激元,能量耦合效率高。对于连接器的各个结构参数,我们设计了优化策略,得到了最优化的参数以及最高的能量耦合效率:在金属屏厚度为50nm,采用铝作为金属屏材料时,连接器的能量耦合效率达到最大值79.5%;当MIM波导接入连接器时,能量耦合效率更是高达83.7%。另外我们发现,由于金属屏的厚度大于表面等离激元的穿透深度,从MIM基座发出的背景辐射噪声被大大削弱,这意味着MIM波导将不用通过增加长度的方式减小背景辐射的干扰。
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN256
【图文】：

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用于金属-绝缘体-金属波导的光纤连接器设计和优化3图1-1 近场技术工作原理示意图Figure 1-1. Schematric illustration of the principle of near-field technology1986 年，Harootanian 等人为了改进 SNOM 分辨率，用中空玻璃微导管代替实心石英棒作为 SNOM 的微探针。1991 年，betzig 等人用单模光纤代替玻璃微导管，成功研制了新型微探针，近场光学显微镜和扫描近场光学显微镜得以实现。图 1-2是光纤探针的示意图。图1-2 光纤探针示意图Figure 1-2. Schematic diagram of fiber probe

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成功研制了新型微探针，近场光学显微镜和扫描近场光学显微镜得以实现。图 1-2是光纤探针的示意图。图1-2 光纤探针示意图Figure 1-2. Schematic diagram of fiber probe

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体-金属波导受到研究人员的关注，以至于成为表面等离子体纳米结构中最具潜力的一种。图1-3 微带探针示意图[32]Figure 1-3. Schematic diagram of Microstrip probe[32]基于 MIM 波导的光学微探针可以称为微带探针（MP），这种微带探针可以作为纳米聚焦的针尖，能够对电磁能量进行纳米聚焦（Nano-focusing）。图 1-3 是微带探针的示意图。可以看出，从微带探针的底部到顶端其宽度逐渐变小，目的是将电磁场能量进行聚焦。微带探针尖端的尺寸可以是 10 纳米数量级的，它的基模是准00TM 模和准02TM 模。基模与波导尺寸没有强关联，意味着微带探针没有截止频率，因此电磁波能在探针尖端中轻易传播而不发生显著的衰减。

【参考文献】