混合等离激元波导特性分析及布拉格光栅光子器件设计

发布时间：2021-11-21 19:57

　　混合等离激元波导凭借其高集成度、强场局域性的优点,在纳米光学领域得到广泛关注。研究者致力于研究不同形态下的混合等离激元波导,在提升集成度与场局域性的同时,追求更长的传输距离。基于混合等离激元波导的集成光子器件,如偏振器耦合器、分束器等均得到了广泛的应用。本论文旨在研究不同类型的混合等离激元波导在不同的几何参数下的模式限制能力与传播长度,并基于所述混合等离激元波导构建布拉格光栅结构,研究不同偏振态在该结构中的电磁波透射谱,并基于所述布拉格光栅进行啁啾结构的构建,设计出了双模式禁带可调、单模式宽禁带且禁带可调的元件结构。本文的主要研究内容如下:首先,研究了脊形混合等离激元波导的色散关系与传输特性,并基于脊形混合等离激元波导构建布拉格光栅结构,研究该结构中TE、TM模式的传输特性,并通过导纳匹配理论对其不同波段处的透射谱进行了优化,实现了良好的滤波功能;接着,研究了板状金属混合等离激元波导,在保持模式限制能力的同时,很大程度地降低了金属带来的损耗并优化了传播长度,同时基于该波导在不同的高折射率介质层宽度下的有效折射率变化特性构建不同的布拉格光栅结构,并在该结构上再次利用导纳匹配理论,在两端设... 

【文章来源】：南京邮电大学江苏省

【文章页数】：82 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

基于MIM波导的啁啾光栅结构及透射谱对比[31]

南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章基本概念及数值研究方法11图2.1平面波导结构示意图，波沿x轴方向传播接下来，假设大环境为一维情况。如果电磁波沿x轴传播，如图2.1所示，则其电场可以表示为(,,)()ixxyzzeEE。其中，令复数参数β=kx为行波的传播常数，并与波矢在传播方向的分量相匹配。通过将该方程式代入Helmholtz方程式，此时的波动方程式表达如下:22220()()()0zzkzEE(2.21)同样的，磁场H也有类似的方程。综上，对于TM模，可以得到：2y2220y(k)0zHH(2.22)yx01izHE(2.23)zy0EH(2.24)同理，对于TE模，可以得到：2y2220y(k)0zEE(2.25)yx01izEH(2.26)zy0HE(2.27)上述公式可以用于表面等离子体激元的表达。

南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章基本概念及数值研究方法12SPP是一种非辐射电磁波模式，它局限于导体的表面传播，通常位于金属和电介质交界面。如图2.2所示，假设SPP处在两个相邻的介电常数为ε1（z<0）的金属空间和与介电常数为ε2（z>0）的电介质空间之间。其中ε1是复数，且Re[ε1]<0。图2.2一维金属电介质界面示意图。SPP沿x轴方向传播，在z方向电场强度呈指数衰减图2.2展示了SPP的一维金属介电界面的示意图，右侧展示的是场强分布。可以看到SPP局域在两种介质相邻界面附近进行传播。电场在垂直于两种介质之间的传播的方向上呈现出指数衰减的趋势。因此，TE模条件下，由上式可得：当z>0时：222iy2ix220iz20,1i,xkzxkzxkzzAeezAkeezAeeΕΗH(2.28)当z<0时：111iy1ix110iz10,1i,xkzxkzxkzzAeezAkeezAeeEHH(2.29)其中ki=kz,i（i=1,2）代表垂直于两种介质之间的界面的波矢的分量。根据界面处的电场分量Ey和磁场分量Hx的连续性要求，可得A1(k1+k2)=0。由于电磁波局域在表面，即Re

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于杂化表面等离激元的多层波导布拉格光栅[J]. 王泉,肖经,韦启钦,刘平.  光学学报. 2018(01)
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本文编号：3510137