【摘要】：表面等離極化激元(surface plasmon polaritons,SPPs)是一種在金屬與介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ囊环N振蕩電磁波,它是由導(dǎo)體表面的自由電子與外界電磁場相互作用引起的,SPPs能夠突破衍射極限,且具有顯著的局域場增強(qiáng)效應(yīng)。利用這些特性,能夠?qū)崿F(xiàn)亞波長尺度內(nèi)電磁波的傳輸與調(diào)控。因此SPPs成為近些年納米光子學(xué)研究的熱點(diǎn)之一,為高密度光學(xué)回路和光學(xué)芯片提供了重要的解決方案;同時(shí),在光開關(guān)、光學(xué)天線、濾波器、太陽能電池等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。本論文首先重點(diǎn)研究了基于SPPs的光學(xué)濾波器,在金屬-介質(zhì)-金屬(MIM)波導(dǎo)和等離激元諧振腔的基礎(chǔ)上,提出了幾種對(duì)稱諧振腔濾波器,并基于優(yōu)化的濾波器設(shè)計(jì)了具有高隔離度、低插入損耗的高性能波分復(fù)用器。本文采用了有限元法(FEM)進(jìn)行數(shù)值模擬分析上述結(jié)構(gòu)的光學(xué)傳輸特性,主要工作內(nèi)容和結(jié)論如下:基于SPPs的對(duì)稱槽形諧振腔濾波器設(shè)計(jì)。該結(jié)構(gòu)由三部分組成:輸入、輸出波導(dǎo)和對(duì)稱的槽形諧振腔,通過對(duì)比對(duì)稱諧振腔和單邊耦合諧振腔的透射性能,發(fā)現(xiàn)增加一個(gè)相對(duì)于波導(dǎo)對(duì)稱、參數(shù)相同的諧振腔能有效提高結(jié)構(gòu)的透射性能,透射率從0.672提高到了0.811,并從理論上分析了透射增強(qiáng)的原因。由于槽形結(jié)構(gòu)的空間對(duì)稱性比較低,所以其Q值不高(Q=11)�；趯�(duì)稱槽形諧振腔濾波器的品質(zhì)因子不是很好,從諧振腔結(jié)構(gòu)出發(fā),又設(shè)計(jì)了對(duì)稱盤形及環(huán)形諧振腔濾波器。相比槽形諧振腔結(jié)構(gòu),盤形諧振腔結(jié)構(gòu)具有更高的空間對(duì)稱性,濾波效果更好,具有更高Q值(Q=38),更適合應(yīng)用于窄帶濾波領(lǐng)域。而環(huán)形諧振腔濾波器,在800~1800nm波段內(nèi),出現(xiàn)了兩個(gè)諧振模式,并且隨著環(huán)中心半徑的增加會(huì)出現(xiàn)新的諧振模式,表現(xiàn)出了多波長濾波的特點(diǎn)。在上述對(duì)稱諧振腔濾波器的研究基礎(chǔ)上,分別設(shè)計(jì)了基于對(duì)稱盤形和槽形諧振腔的雙通道及三通道波分復(fù)用器,通過COMSOL軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值仿真,分析其透射光譜后發(fā)現(xiàn),各通道波長可通過改變結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和折射率來調(diào)節(jié),同時(shí),為了避免多個(gè)濾波器組合配置的時(shí)候相互串?dāng)_,以及組合配置形成的必要結(jié)構(gòu)對(duì)濾波模式的影響,需要對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇�；趯�(duì)稱諧振腔的1310/1550nm雙通道波分復(fù)用器傳輸效率達(dá)到了70%左右,而且由于對(duì)稱盤形諧振腔的Q值高,所以基于對(duì)稱盤形諧振腔的波分復(fù)用器有著較高的隔離度(54.7dB);基于對(duì)稱槽形諧振腔的波分復(fù)用器的系統(tǒng)體積更小,SPPs在其中傳播時(shí)的損耗少,所以其插入損耗更小(接近1dB),更適合大規(guī)模集成的光子光路。以上這兩種結(jié)構(gòu)在亞微米波分復(fù)用領(lǐng)域有著重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。最后我們又提出了1310nm、1490nm、1550nm的三通道波分復(fù)用器,經(jīng)過仿真計(jì)算,三個(gè)通道都能順利實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用的功能。
【圖文】：

圖 1.1 (a)金屬納米線陣列原理圖；(b)表面等離極化激元諧振波長與納米線半徑的關(guān)系圖[8]。對(duì)于金屬溝槽波導(dǎo)，如圖 1.2a 所示，存在著一種基模和更高的模式，被稱為溝槽等離激元（channelplasmonpolariton，CPP）。CPP 束縛于溝槽內(nèi)，并沿著金屬表面的溝槽傳播。CPP的能量能被限制在溝槽的不同位置，這僅取決于電磁波的模式（波長）。CPP 的模式和傳播距離可以通過錐度角進(jìn)行調(diào)節(jié)，而為了有效的傳導(dǎo) SPPs，槽的深度不應(yīng)小于基模的穿透深度。圖 1.2a（�。┖蛨D 1.2a（ⅱ）為典型的溝槽波導(dǎo)，圖 1.2a（ⅲ）顯示了基模的場分布以及不同模式和波導(dǎo)的色散關(guān)系。如圖 1.2b 所示，是一種與 CPP 波導(dǎo)相反的結(jié)構(gòu)，叫做金屬楔形波導(dǎo)（wedge plasmon polariton，WPP），WPP 波導(dǎo)與槽形波導(dǎo)非常相似，但能量僅局域在楔形邊緣。楔角影響著能量局域的程度，，楔角越小，局域度越高。由金屬納米顆�？梢越M成 Bragg 反射器，SPPs 射到 Bragg 反射器將發(fā)生全反射，反射角與入射角相等，反射系數(shù)達(dá)到 90%，如圖 1.3 所示[13]。Bragg 反射器是 5 排規(guī)則排列的 Ag 粒п

2 (a)金屬槽形 SPPs 波導(dǎo)。（a -ⅰ）槽形波導(dǎo)的 SEM 圖[10]；（a -ⅱ）槽形波導(dǎo)的光學(xué)成像圖；（a和槽形波導(dǎo)的色散關(guān)系[11]。(b)金屬楔形 SPPs 波導(dǎo)。（b -�。┬ㄐ尾▽�(dǎo)的 AFM 和近場圖；（b -ⅱ式尺度和楔形波導(dǎo)的傳播距離；（b -ⅲ）楔形波導(dǎo)的基模[12]。.3 (a)由 Ag 納米顆粒組成的等離激元 Bragg 反射器，插圖是反射器結(jié)構(gòu)，箭頭是 SPPs 出射和反
【學(xué)位授予單位】：南京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O441.4;TN713

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3 陳e

本文編號(hào)：2596574