论文摘要
在现代智能通信网络高速发展的时代,传统的电通信早已不能满足当代对通信系统高速率、大容量、低损耗、微型化等高性能的需求,取而代之的是光通信。而伴随着光通信技术的广泛普及,相应的光通信产物–光器件也应运而生。光器件作为光通信系统的关键组成成分之一,从二十世纪初期开始就被科学家们大量研制。起初主要是使用光纤、半导体光放大器等研制光学器件,但随着研究的深入,对器件微型化、高集成度性能的追求,他们又开始把目光转移到一种称作“表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons,SPPs）”的物质。它是一种能克服光学衍射极限现象,并且能够在亚波长尺度的结构上进行光控制和光操作的表面电磁波。SPPs的出现为进一步提高光学器件的集成度问题提供了更大的可能。随着等离子体领域的研究逐渐趋于成熟,一种特殊的效应引起了研究者们的注意,它类似于电磁诱导透明效应（Electromagnetically Induced Transparency,EIT）被研究者们命名为等离子体诱导透明效应（Plasmon-induced Transparency,PIT）。相较于EIT效应而言,PIT效应可以摆脱严苛的实现条件,能在温室下实现,同时能进一步提升器件的集成度,还具有高带宽,快响应速度,低损耗等性质,这些特点使得基于PIT效应实现的光子器件具有更广阔的应用前景。而全光逻辑门作为光学信号处理的核心器件之一,在新一代光通信网络中有非常重要的作用。因此,本论文首先基于表面等离子体激元提出了一个新颖的纳米结构以实现等离子体诱导透明效应,然后利用等离子体诱导透明效应,设计了一个光学逻辑器件,该器件采用角度操控方法实现了多种逻辑功能。以下是本论文的主要研究内容:首先,详细介绍了全光逻辑器件的发展历程,接着,论述了SPPs的基本性质、发展现状、物理现象以及SPPs在光逻辑器件中的应用,并概述了接下来的主要工作内容及意义,为后续研究的进一步开展奠定了工作基础。其次,探究了本论文所采用的理论分析模型和数值仿真方法。其中,理论分析主要分为两个方面,一、根据金属材料的Drude模型,结合麦克斯韦方程组得到金属的介电常数和表面等离子体激元的色散特性;二、采用时域耦合模理论分析SPPs在不同结构中的传输特性。数值仿真则是通过采用时域有限差分方法（Finitedifferent Time-domain,FDTD）对理论结果进行仿真验证。然后,基于理论研究,提出了一个新型的等离子体结构,可以实现对PIT效应的操控。该结构由一根金属-绝缘体介质-金属（Metal-insulator-metal,MIM）波导与一个内嵌可旋转椭圆的六边形腔体组成。通过对金属椭圆角度的控制,从而可以实现对PIT效应的调节。此外,还探究了六边形腔体边长、椭圆长轴和短轴半径、耦合距离、谐振腔体内部介质折射率参数的改变对此结构PIT效应传输特性的影响。该结构具有可控性,易于操控,因此有多方面应用,为后续光逻辑门的设计提供了一个重要的思路。最后,在上述结构的基础上加以改进,设计了一个基于PIT效应的多功能光逻辑器件。该器件是由两个内嵌金属椭圆的六边形谐振腔和两根MIM平行波导构成。两个金属椭圆分别作为输入信号控制器,通过改变椭圆的旋转角度,实现对输入状态的调节,最终通过分析不同的输出端口即Through端口和Drop端口的传输效率得到在不同输入状态下的输出结果,进而实现了多种逻辑功能。该功能的实现在未来光集成回路的设计上具有很重要的应用价值。
论文目录
文章来源
类型: 硕士论文
作者: 王云
导师: 解宜原
关键词: 表面等离子体激元,等离子体诱导透明效应,光逻辑门,可旋转椭圆,六边形谐振腔
来源: 西南大学
年度: 2019
分类: 基础科学,信息科技
专业: 物理学,电信技术
单位: 西南大学
分类号: TN929.1;O53
总页数: 72
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标签：表面等离子体激元论文; 等离子体诱导透明效应论文; 光逻辑门论文; 可旋转椭圆论文; 六边形谐振腔论文;