表面等離子體激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是一種特殊電磁波,由入射光波耦合金屬中自由振蕩的傳導(dǎo)電子形成,具有集體電荷振蕩形式。這種電磁波沿金屬-介質(zhì)分界面?zhèn)鬏?在垂直于分界面的方向上呈指數(shù)衰減,具有極小的模式面積,能夠突破光學(xué)的衍射極限,實(shí)現(xiàn)在亞波長范圍內(nèi)的電磁場調(diào)控與傳輸。以其優(yōu)良的光學(xué)性能,SPPs被認(rèn)為是能量和信息的良載體,為功能各異的集成納米光子器件的設(shè)計(jì)提供了一種新思路,因此基于SPPs的表面等離子體光波導(dǎo)(Surface Plasmonic Waveguides,SPWs)器件成為一個(gè)頗受關(guān)注的研究熱點(diǎn)。金屬-介質(zhì)-金屬(MIM)型SPWs結(jié)構(gòu),具有SPPs易激發(fā)、結(jié)構(gòu)易制作、加工工藝成熟,且對電磁場的束縛性強(qiáng)、傳播距離遠(yuǎn)、耦合損耗較低等特性,逐漸成為SPWs光波導(dǎo)器件的首選。近年來,已經(jīng)設(shè)計(jì)并研究了許多能夠?qū)崿F(xiàn)不同功能的基于MIM結(jié)構(gòu)的亞波長SPWs器件。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,采用數(shù)值仿真與理論推導(dǎo)相結(jié)合的方式,設(shè)計(jì)研究了兩種基于MIM結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)良的、具有類等離子體誘導(dǎo)透明傳輸特性的新型SPWs器件。論文主要研究內(nèi)容如下:(1)設(shè)計(jì)了一種帶有開口方環(huán)諧振腔的MIM型SPWs結(jié)構(gòu)。利用基于有限元法的仿真軟件對該結(jié)構(gòu)的傳輸特性進(jìn)行了數(shù)值分析,并采用耦合模理論對結(jié)構(gòu)的法諾(Fano)諧振傳輸特性進(jìn)行了理論驗(yàn)證,證明了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過改變諸如枝節(jié)諧振腔高度、開口環(huán)尺寸等結(jié)構(gòu)參數(shù)和結(jié)構(gòu)對稱性,詳細(xì)研究了幾何參數(shù)對所設(shè)計(jì)的SPWs器件傳輸特性的調(diào)控特性。同時(shí),通過計(jì)算諧振腔內(nèi)部介質(zhì)折射率變化引起的諧振峰的位置變化和強(qiáng)度變化,研究了該器件在折射率傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用特性,結(jié)果表明,可以實(shí)現(xiàn)1500nm/RIU的靈敏度,可以被廣泛的應(yīng)用在納米折射率傳感器領(lǐng)域。(2)設(shè)計(jì)了一種基于MIM結(jié)構(gòu)的具有類等離子體誘導(dǎo)吸收(PIA-like)傳輸特性的SPWs結(jié)構(gòu),由兩個(gè)環(huán)形諧振器與直波導(dǎo)直接或間接耦合構(gòu)成。研究表明,這種類PIT型傳輸特性是由于兩個(gè)諧振器間的強(qiáng)相互作用導(dǎo)致的諧振模式發(fā)生分裂而形成的。這種模式分裂不僅對幾何尺寸的變化敏感,也對填充在諧振器內(nèi)部的介質(zhì)折射率非常敏感。另外,研究還證明,在該結(jié)構(gòu)中傳輸?shù)腟PPs的群折射率在特定波長位置處可以呈現(xiàn)較大的正值或者負(fù)值,說明發(fā)生了較強(qiáng)的正常色散或者反常色散,分別可以實(shí)現(xiàn)慢光和快光傳輸特性。所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不僅能實(shí)現(xiàn)納米尺度的濾波功能和靈敏度高達(dá)685nm/RIU的納米折射率傳感功能,還能夠?yàn)楣馑俚目刂铺峁┮环N新的思路。
【學(xué)位單位】：山西大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O53;TN252
【部分圖文】：

１．２．３表面等離子體激元的色散特性逡逑表面等離子體激元（ＳＰＰｓ）是一種特殊的電磁波，可以沿著分界面?zhèn)鞑�，假設(shè)逡逑ＳＰＰｓ波在ｚ邋＝邋０的表面沿著ｘ方向傳輸，圖１．１所示。上層空間是介電常數(shù)為的介逡逑質(zhì)層，下層是相對介電常數(shù)一（ｃ0）隨頻率變化的金屬層，假設(shè)上下兩層都是半無限厚逡逑的，Ｅ（ｘ，ｙ，ｚ）邋＝邋￡（ｚ）ｅｌｔｅ為電磁波的電場分量，其中／ｃ是ＳＰＰｓ波的復(fù)傳播常數(shù)。根據(jù)逡逑ＴＭ模的場分量，可以利用麥克斯韋方程組求解金屬－介質(zhì)界面處ＳＰＰｓ的色散關(guān)系，逡逑過程如下：逡逑在ｚ＞邋０的介質(zhì)空間中：逡逑Ｈｙ（ｚ）邋＝邋Ａ＾ｅ￣＾ｚ邐（１．２ａ）逡逑ＥＪｚ）邋＝邋ｉＡｉ－＾－ｅ＾ｅ－＾２邐（１．２ｂ）逡逑ｄ）￡0Ｓｉ逡逑Ｅｚ｛ｚ）邋＝－邋Ａｉ—ｅｉｋｘｅ￣ｋ＾邐（１．２ｃ）逡逑（ｊＪ￡ｑ￡［逡逑在ｚ＜邋０的金屬空間中：逡逑Ｈｙ（ｚ）邋＝邋Ａｍｅｌｋｘｅｋｎ，ｚ邐（１．３ａ）逡逑ＥＪｚ）邋＝－邋ｉＡｍ＾＾ｅｉｋｘｅｋ＾ｚ邐（１．３ｂ）逡逑Ｅｚ｛ｚ）邋＝—邋Ａｍ邋—－—ｅｌｋｘｅｋｍＺ邐（１．３ｃ）逡逑ＯＪｆ0￡ｍ逡逑式中４表示介質(zhì)空間的場振幅

基于ＭＩＭ結(jié)構(gòu)的光學(xué)器件，這些器件被廣泛的應(yīng)用在濾波、分光、傳感等諸多領(lǐng)域。逡逑下面列舉一些典型的研宄成果：逡逑如圖１．４（ａ）所示，２００９年黃旭光等人提出一種非完全定向耦合的亞波長表面等離逡逑子體激元濾波器ｆ７］，該濾波器由總線波導(dǎo)側(cè)耦合一個(gè)介質(zhì)諧振腔構(gòu)成。該結(jié)構(gòu)的傳逡逑輸與反射譜如圖１．４（ｂ）所示，１．５７｜ｉｍ和０．７８｜ｉｍ分別對應(yīng)諧振腔中的一階和二階諧逡逑振。通過理論分析和數(shù)值模擬表明該濾波器的共振波長與諧振腔的長度成正比，此逡逑外還與諧振腔寬度和諧振腔與總線波導(dǎo)間的間隙有關(guān)。該器件結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，逡逑可以作為帶通濾波器應(yīng)用在集成光學(xué)器件中。逡逑１．０］邋邐逡逑°？＇邋！邋？邋，逡逑ｓ0ｅ；邋Ａ；＞：邐：；逡逑／／（＾Ｌ邐｜0：！：逡逑ＪＢ：邋｜ｉ邋－邋ｔ邋－＞邋＞邋ｗｉｄｔｈ；－邋｜邋ｊＴ邋Ｕ邋．．．邐？逡逑ｔ邋ｍｍｔｍ逡逑ｚ邐ＢＡｇ邋Ｄａｕ邐０６邐０８邐１０邐ｗ邋１６邐１８逡逑Ｗａｖｅｔｅｎｇｔｈ（Ｍｍ）逡逑（ａ）邐（ｂ）逡逑圖１．４邋（ａ）結(jié)構(gòu)原理圖，（ｂ）傳輸和反射譜［７］逡逑同年，汪河洲等人提出了一種帶有單圓環(huán)諧振腔的帶通濾波器結(jié)構(gòu)ｔ３ａ＞，研究了逡逑５００ｎｍ－２０００ｎｍ波長范圍內(nèi)的濾波特性

Ｋ邐；逡逑圖１．５邋Ｙ型ＭＩＭ光分束器結(jié)構(gòu)原理圖逡逑■■■■■■■■■■■■■■■■■ａ邋°邋＾ｉ邐逡逑（ａ）邐：（Ｍ邐邐逡逑——邋？ｍＳｌｒ邋ｇｒｏｏ＞邋ｒ逡逑＇邐？邐；」Ａｉｒ邋0邋０．６－邋ｋ逡逑＂‘邋ＭｉＡｇ邋１邐＼邐Ｚ逡逑■■■邐■■■邋１邋＜邋Ｕ．邋＼邐Ｘ逡逑＇：ｉ邋ｉ－逡逑Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ（ｎｍ）逡逑圖１．６（３）結(jié)構(gòu)原理圖，（的傳輸譜［１０］逡逑另外，ＳＰＷｓ在納米分束器、折射率傳感器領(lǐng)域都得到科研人員的關(guān)注。圖１．５逡逑中的結(jié)構(gòu)是２０１２年陳建軍等人提出的基于強(qiáng)耦合諧振效應(yīng)的高分辨率Ｙ型ＭＩＭ光逡逑分離器［９］。通過在兩個(gè)分支的介質(zhì)層中引入金屬擋板，產(chǎn)生尖銳不對稱的窄帶傳輸逡逑譜，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高分辨率亞波長的光分離功能。圖１．６是２０１５年陳召等人提出的一種逡逑６逡逑

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本文編號：2811029