几种MIM波导结构中的表面等离激元诱导透明及慢光效应的理论研究

发布时间：2017-12-17 00:02

  本文关键词：几种MIM波导结构中的表面等离激元诱导透明及慢光效应的理论研究

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【摘要】：面对光学元器件多元化的发展需求,具有透射性强,亚波长局域等特点的表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)越来越受到人们的广泛关注。SPPs是一种存在于金属-介质交界面上,在外部入射场与金属表面自由电子共同激荡的作用下产生的沿金属表面传播并束缚于其上的电磁波。SPPs的存在突破了衍射极限,使得纳米尺度光子器件在亚波长范围内对光场的调控成为可能。基于SPPs的理论基础,本文对亚波长金属波导的一种典型结构:金属-绝缘体-金属(Metal-Insulator-Metal,MIM)波导进行了深入研究。本文从下几个方面给出研究内容:1.基于表面等离子体的相关理论,提出了一种带有多个有限长耦合金属谐振腔(Coupled-Metal-Cavity,CMC)的MIM波导结构。利用COMSOL Multiphysics的模式求解器对CMC中的SPPs模式的色散关系进行了研究,给出了不同数量CMC的色散关系。研究了带有数个耦合金属谐振腔的MIM波导结构的透射谱及不同谷值位置处对应的模式分布。当相邻的模式离得足够近时,发生相消干涉将会产生表面等离激元诱导透明(Plasmon-induced transparency,PIT)现象。总结得出CMC的数量与PIT窗口数量间的关系以及CMC结构参数与窗口位置间的关系。并根据这种结构设计出一种四耦合谐振腔的多通道添加-删除耦合器,可应用于多通道波分复用器等光子器件中。2.研究了带有亚波长矩形金属耦合谐振环的金属-绝缘体-金属波导结构的滤波特性。通过在MIM波导两边添加两个边长不同的矩形环金属谐振腔构建出两个失谐共振态。利用失谐共振态之间的相位耦合,可以实现多等离激元诱导透明效应。通过有限元方法对该结构进行仿真发现,三阶失谐共振将产生一个PIT窗口。而对于二阶失谐共振,根据失谐程度的不同则会产生一个,两个或三个PIT窗口。同时还研究了该结构透射谱中PIT峰值位置处的电磁场分布,这种多等离激元诱导透明结构在多通道滤波器,传感器等光子器件的应用中有着广阔的前景。3.建立了一种凹槽支节型MIM波导结构及其对应的传输线模型。利用有限元方法数值仿真对该结构在750nm-1800nm波段内的三个共振波长进行了研究。结果显示透射谱谷值的位置随凹槽的相对位置的增大/减小呈Z字型变化。理论上提出了对应该MIM波导结构的传输线模型,并通过与COMSOL数值仿真结果的对比,对该传输线模型的正确性进行了验证。分析了模型存在微小偏差的原因是由于支节末端反射所产生的附加相位引起的。通过对Z字形拐点处电磁场分布的研究,讨论了透射谱谷值变化的物理机制。提出一种失谐凹槽支节MIM波导结构,通过调整上下两个支节结构所带凹槽的相对位置来改变两部分结构的失谐程度。仿真结果表明随两支节结构失谐程度的增大,PIT峰值变大且红移。同时也建立了该结构下的传输线模型,对比了传输线模型与数值仿真下的透射谱,进一步验证了模型的正确性。
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN814

【参考文献】

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1 韩张华;基于表面等离子体及半导体准一维纳米结构的光子器件研究[D];浙江大学;2008年

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本文编号：1297951