本文關(guān)鍵詞：混合等離子體波導結(jié)構(gòu)中光傳播和場局域特性研究　出處：《哈爾濱工業(yè)大學》2015年碩士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：納米光波導是實現(xiàn)超高集成化光子器件的重要組成部分。目前已經(jīng)提出了多種類型的納米光波導結(jié)構(gòu),主要分為:介質(zhì)波導、光子晶體波導和表面等離子體波導。此外在納米光波導中引入缺陷可以構(gòu)成光學微腔結(jié)構(gòu)。光學微腔在研究光與物質(zhì)的相互作用,納米激光器等領(lǐng)域有著極其重要的應(yīng)用,同時也是集成光路中的一類基本光學組件�，F(xiàn)階段提出的光學微腔存在結(jié)構(gòu)復雜、尺寸較大、難以制備、模體積大等問題。針對上述問題,本文基于絕緣層上硅(Silicon-On-Insulator,SOI)平臺,設(shè)計了一種具有較小模體積、高品質(zhì)因子且便于制備的混合表面等離子體波導(hybrid plasmonic waveguide,簡稱HP波導),并對其進行了尺寸優(yōu)化及傳感特性的研究。本文結(jié)合了傳輸矩陣法和麥克斯韋方程組,推導出了一維HP波導結(jié)構(gòu)中混合模式的色散關(guān)系。采用有限元法(Finite Element Method,FEM)分析了光場在波導中的模場分布及傳播長度隨結(jié)構(gòu)尺寸、材料的介電常數(shù)等參數(shù)的變化關(guān)系,為下一步設(shè)計基于周期性混合波導的微腔結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)�；谝陨鲜鲅芯康贸龅淖兓P(guān)系,本文通過在周期性HP波導中引入結(jié)構(gòu)缺陷來產(chǎn)生缺陷態(tài)。本文利用COMSOL Multiphysics軟件建立了相應(yīng)的二維模型,分析了二維周期性HP波導微腔結(jié)構(gòu)中光場的傳播及局域特性。為了使缺陷態(tài)模式具有最小的模體積,優(yōu)化了波導的幾何結(jié)構(gòu)并確定了模體積最小時波導的最佳寬度。本文進一步建立了三維周期性HP波導微腔結(jié)構(gòu),研究了波導中缺陷的尺寸,材料及周期數(shù)目等對混合模式傳輸特性的影響。利用混合表面等離子波導能夠?qū)⒐鈭鱿拗圃谏顏啿ㄩL尺度同時還具有低損耗的特性,通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計出了有效模體積為0.005?m3,珀塞爾因子為3750的波導微腔。數(shù)值研究了介質(zhì)層折射率的變化及在缺陷位置加入微小金屬條后波導的傳輸特性,結(jié)果表明基于HP波導結(jié)構(gòu)的納米微腔不僅具有很高珀塞爾因子而且具備良好的傳感特性。本文的研究結(jié)果為基于表面等離子體的波導元器件的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù),對實現(xiàn)表面等離子體波在超高集成光路中的應(yīng)用具有指導作用。
[Abstract]:Nano-optical waveguide is an important part of the realization of ultra-integrated photonic devices. At present, a variety of nano-optical waveguide structures have been proposed, mainly divided into: dielectric waveguide. Photonic crystal waveguides and surface plasma waveguides. In addition, defects can be introduced into nanoscale optical waveguides to form optical microcavities, which are studying the interaction between light and matter. Nanocrystalline lasers and other fields have very important applications, and they are also a kind of basic optical components in integrated optical path. At present, the proposed optical microcavity has complex structure, large size and difficult to be prepared. In view of the above problems, based on the Silicon-On-Insulator SOI platform on the insulation layer, a small mold volume is designed. Hybrid plasmonic waveguides (HP waveguides) with high quality factor and easy to fabricate. The dimension optimization and sensing characteristics are studied. The transmission matrix method and Maxwell equations are combined in this paper. The dispersion relation of mixed modes in one-dimensional HP waveguide structure is derived. Finite Element Method is used to solve the problem. The dependence of mode field distribution and propagation length on structure size, dielectric constant and other parameters are analyzed by FEMs. It lays a foundation for the next step to design the microcavity structure based on periodic mixed waveguide, based on the change relation obtained from the above research. In this paper, the defect states are generated by introducing structural defects into periodic HP waveguides, and the corresponding two-dimensional model is established by using COMSOL Multiphysics software. The propagation and local characteristics of the light field in a two-dimensional periodic HP waveguide microcavity structure are analyzed in order to minimize the mode volume of the defect state mode. The geometrical structure of the waveguide is optimized and the optimum width of the waveguide is determined when the mode volume is minimum. In this paper, the three-dimensional periodic HP waveguide microcavity structure is further established, and the size of the defects in the waveguide is studied. The influence of materials and number of periods on the propagation characteristics of hybrid modes. The hybrid surface plasma waveguides can limit the light field to the deep subwavelength scale and also have the characteristics of low loss. The effective mold volume of 0.005? M _ 3, a waveguide microcavity with a Purcell factor of 3750. The refractive index of the dielectric layer and the propagation characteristics of the waveguide with the addition of small metal strip at the defect position are numerically studied. The results show that the HP-waveguide nanocavity not only has a high Purcell factor but also has good sensing properties. The results of this paper provide a basis for the optimal design of waveguide components based on surface plasmas. Theoretical basis. It is helpful to realize the application of surface plasma wave in ultra-high integrated optical path.
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN252

【共引文獻】

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本文編號：1384009