MIM波导中法诺谐振和模式分裂特性研究

发布时间：2020-09-02 19:50

　　表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是一种特殊电磁波,由入射光波耦合金属中自由振荡的传导电子形成,具有集体电荷振荡形式。这种电磁波沿金属-介质分界面传输,在垂直于分界面的方向上呈指数衰减,具有极小的模式面积,能够突破光学的衍射极限,实现在亚波长范围内的电磁场调控与传输。以其优良的光学性能,SPPs被认为是能量和信息的良载体,为功能各异的集成纳米光子器件的设计提供了一种新思路,因此基于SPPs的表面等离子体光波导(Surface Plasmonic Waveguides,SPWs)器件成为一个颇受关注的研究热点。金属-介质-金属(MIM)型SPWs结构,具有SPPs易激发、结构易制作、加工工艺成熟,且对电磁场的束缚性强、传播距离远、耦合损耗较低等特性,逐渐成为SPWs光波导器件的首选。近年来,已经设计并研究了许多能够实现不同功能的基于MIM结构的亚波长SPWs器件。本文在前人研究的基础上,采用数值仿真与理论推导相结合的方式,设计研究了两种基于MIM结构的性能优良的、具有类等离子体诱导透明传输特性的新型SPWs器件。论文主要研究内容如下:(1)设计了一种带有开口方环谐振腔的MIM型SPWs结构。利用基于有限元法的仿真软件对该结构的传输特性进行了数值分析,并采用耦合模理论对结构的法诺(Fano)谐振传输特性进行了理论验证,证明了仿真结果的准确性。通过改变诸如枝节谐振腔高度、开口环尺寸等结构参数和结构对称性,详细研究了几何参数对所设计的SPWs器件传输特性的调控特性。同时,通过计算谐振腔内部介质折射率变化引起的谐振峰的位置变化和强度变化,研究了该器件在折射率传感器领域的应用特性,结果表明,可以实现1500nm/RIU的灵敏度,可以被广泛的应用在纳米折射率传感器领域。(2)设计了一种基于MIM结构的具有类等离子体诱导吸收(PIA-like)传输特性的SPWs结构,由两个环形谐振器与直波导直接或间接耦合构成。研究表明,这种类PIT型传输特性是由于两个谐振器间的强相互作用导致的谐振模式发生分裂而形成的。这种模式分裂不仅对几何尺寸的变化敏感,也对填充在谐振器内部的介质折射率非常敏感。另外,研究还证明,在该结构中传输的SPPs的群折射率在特定波长位置处可以呈现较大的正值或者负值,说明发生了较强的正常色散或者反常色散,分别可以实现慢光和快光传输特性。所设计的结构不仅能实现纳米尺度的滤波功能和灵敏度高达685nm/RIU的纳米折射率传感功能,还能够为光速的控制提供一种新的思路。
【学位单位】：山西大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O53;TN252
【部分图文】：

相对介电常数,实线,工作波长,表面等离子体激元

１．２．３表面等离子体激元的色散特性逡逑表面等离子体激元（ＳＰＰｓ）是一种特殊的电磁波，可以沿着分界面传播，假设逡逑ＳＰＰｓ波在ｚ邋＝邋０的表面沿着ｘ方向传输，图１．１所示。上层空间是介电常数为的介逡逑质层，下层是相对介电常数一（ｃ0）随频率变化的金属层，假设上下两层都是半无限厚逡逑的，Ｅ（ｘ，ｙ，ｚ）邋＝邋￡（ｚ）ｅｌｔｅ为电磁波的电场分量，其中／ｃ是ＳＰＰｓ波的复传播常数。根据逡逑ＴＭ模的场分量，可以利用麦克斯韦方程组求解金属－介质界面处ＳＰＰｓ的色散关系，逡逑过程如下：逡逑在ｚ＞邋０的介质空间中：逡逑Ｈｙ（ｚ）邋＝邋Ａ＾ｅ￣＾ｚ逦（１．２ａ）逡逑ＥＪｚ）邋＝邋ｉＡｉ－＾－ｅ＾ｅ－＾２逦（１．２ｂ）逡逑ｄ）￡0Ｓｉ逡逑Ｅｚ｛ｚ）邋＝－邋Ａｉ—ｅｉｋｘｅ￣ｋ＾逦（１．２ｃ）逡逑（ｊＪ￡ｑ￡［逡逑在ｚ＜邋０的金属空间中：逡逑Ｈｙ（ｚ）邋＝邋Ａｍｅｌｋｘｅｋｎ，ｚ逦（１．３ａ）逡逑ＥＪｚ）邋＝－邋ｉＡｍ＾＾ｅｉｋｘｅｋ＾ｚ逦（１．３ｂ）逡逑Ｅｚ｛ｚ）邋＝—邋Ａｍ邋—－—ｅｌｋｘｅｋｍＺ逦（１．３ｃ）逡逑ＯＪｆ0￡ｍ逡逑式中４表示介质空间的场振幅

反射谱,谐振腔

基于ＭＩＭ结构的光学器件，这些器件被广泛的应用在滤波、分光、传感等诸多领域。逡逑下面列举一些典型的研宄成果：逡逑如图１．４（ａ）所示，２００９年黄旭光等人提出一种非完全定向耦合的亚波长表面等离逡逑子体激元滤波器ｆ７］，该滤波器由总线波导侧耦合一个介质谐振腔构成。该结构的传逡逑输与反射谱如图１．４（ｂ）所示，１．５７｜ｉｍ和０．７８｜ｉｍ分别对应谐振腔中的一阶和二阶谐逡逑振。通过理论分析和数值模拟表明该滤波器的共振波长与谐振腔的长度成正比，此逡逑外还与谐振腔宽度和谐振腔与总线波导间的间隙有关。该器件结构简单，制作方便，逡逑可以作为带通滤波器应用在集成光学器件中。逡逑１．０］邋逦逡逑°？＇邋！邋？邋，逡逑ｓ0ｅ；邋Ａ；＞：逦：；逡逑／／（＾Ｌ逦｜0：！：逡逑ＪＢ：邋｜ｉ邋－邋ｔ邋－＞邋＞邋ｗｉｄｔｈ；－邋｜邋ｊＴ邋Ｕ邋．．．逦？逡逑ｔ邋ｍｍｔｍ逡逑ｚ逦ＢＡｇ邋Ｄａｕ逦０６逦０８逦１０逦ｗ邋１６逦１８逡逑Ｗａｖｅｔｅｎｇｔｈ（Ｍｍ）逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图１．４邋（ａ）结构原理图，（ｂ）传输和反射谱［７］逡逑同年，汪河洲等人提出了一种带有单圆环谐振腔的带通滤波器结构ｔ３ａ＞，研究了逡逑５００ｎｍ－２０００ｎｍ波长范围内的滤波特性

传输谱,科研人员,分束器,纳米

Ｋ逦；逡逑图１．５邋Ｙ型ＭＩＭ光分束器结构原理图逡逑■■■■■■■■■■■■■■■■■ａ邋°邋＾ｉ逦逡逑（ａ）逦：（Ｍ逦逦逡逑——邋？ｍＳｌｒ邋ｇｒｏｏ＞邋ｒ逡逑＇逦？逦；」Ａｉｒ邋0邋０．６－邋ｋ逡逑＂‘邋ＭｉＡｇ邋１逦＼逦Ｚ逡逑■■■逦■■■邋１邋＜邋Ｕ．邋＼逦Ｘ逡逑＇：ｉ邋ｉ－逡逑Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ（ｎｍ）逡逑图１．６（３）结构原理图，（的传输谱［１０］逡逑另外，ＳＰＷｓ在纳米分束器、折射率传感器领域都得到科研人员的关注。图１．５逡逑中的结构是２０１２年陈建军等人提出的基于强耦合谐振效应的高分辨率Ｙ型ＭＩＭ光逡逑分离器［９］。通过在两个分支的介质层中引入金属挡板，产生尖锐不对称的窄带传输逡逑谱，进而实现高分辨率亚波长的光分离功能。图１．６是２０１５年陈召等人提出的一种逡逑６逡逑

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