用于金属-绝缘体-金属波导的光纤连接器设计和优化

论文摘要

基于表面等离激元的纳米波导能够使光学系统突破衍射极限,可用于超分辨率光学成像,光通信和超高密度信息存储等领域。金属-绝缘体-金属（MIM）结构是表面等离子体纳米结构中最具潜力的,它能极大地减小纳米聚焦过程中产生的损耗。但其本身存在问题:MIM波导的金属部分通常吸收较强,因此其长度是有限制的;另一问题是表面等离激元的激发效率比较低。这使它难以应用于实际的聚焦过程。针对MIM波导在纳米聚焦中的问题,本文基于电磁理论和近场光学理论,提出了一种全新的连接器结构——光纤-MIM波导连接器。它能将光纤纤芯与MIM波导相连,其原理是光纤中的电磁能量经过连接器耦合进入MIM波导,并最终在MIM波导中完成纳米聚焦过程。本文的主要工作如下:（1）设计了光纤-MIM波导连接器。连接器由两部分组成:一个“杯”形状的结构,材料为光塑性环氧树脂SU-8,其“杯”结构供光纤纤芯插入;另一部分是在“杯”的背面紧贴着的一块厚度为几十纳米的金属屏,金属屏上有矩形孔,供MIM波导插入。根据基本的电磁理论和近场理论,对连接器进行了理论分析,分析表明连接器具有高光学效率。在此基础上,提出了一种可能的连接器制作方法。（2）针对设计得到的光纤-MIM波导连接器,利用时域有限差分法（FDTD）对其进行数值仿真,数值计算的结果符合理论预期:连接器在MIM波导中高效激发出了表面等离激元,能量耦合效率高。对于连接器的各个结构参数,我们设计了优化策略,得到了最优化的参数以及最高的能量耦合效率:在金属屏厚度为50nm,采用铝作为金属屏材料时,连接器的能量耦合效率达到最大值79.5%;当MIM波导接入连接器时,能量耦合效率更是高达83.7%。另外我们发现,由于金属屏的厚度大于表面等离激元的穿透深度,从MIM基座发出的背景辐射噪声被大大削弱,这意味着MIM波导将不用通过增加长度的方式减小背景辐射的干扰。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 近场光学探针的原理与发展
•   1.3 表面等离激元理论
•     1.3.1 表面等离激元简介
•     1.3.2 表面等离激元的特性
•     1.3.3 表面等离激元的激发方式
•   1.4 金属-绝缘体-金属（MIM）波导——微带探针（Microstrip Probe）
•   1.5 研究内容及意义
• 第二章 时域有限差分法（FDTD）
•   2.1 引言
•   2.2 Drude模型
•   2.3 时域有限差分迭代公式
•   2.4 利用FDTD进行光纤连接器结构设计和优化
•   2.5 小结
• 第三章 用于MIM波导的光纤连接器结构设计
•   3.1 引言
•   3.2 用于MIM波导的光纤连接器的结构设计方案
•   3.3 光纤连接器理论分析
•   3.4 一种制作光纤连接器的方法
•   3.5 小结
• 第四章 用于MIM波导的光纤连接器数值仿真及结果分析
•   4.1 引言
•   4.2 数值仿真图像及分析
• 4对连接器耦合效率影响的研究'>  4.3 参数L₄对连接器耦合效率影响的研究
• 3对光纤连接器耦合效率影响的研究'>  4.4 金属屏厚度L₃对光纤连接器耦合效率影响的研究
•   4.5 不同金属材料下的光纤连接器耦合效率的研究
•   4.6 波长对光纤连接器耦合效率影响的研究
•   4.7 MIM波导与光纤连接器组合结构的仿真和分析
•   4.8 小结
• 总结与展望
•   总结
•   展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
•   1 作者简历
•   2 攻读理学硕士学位期间发表的学术论文
•   3 参与的科研项目及获奖情况
•   4 发明专利
• 学位论文数据集

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 黄浩然

导师: 乐孜纯

关键词: 表面等离激元,金属绝缘体金属波导,纳米聚焦,耦合效率

来源: 浙江工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 浙江工业大学

分类号: TN256

DOI: 10.27463/d.cnki.gzgyu.2019.000467

总页数: 73

文件大小: 3344K

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