MDM表面等离子体光波导的Fano传输特性研究

论文摘要

表面等离子体激元（Surface plasmon polaritons,SPPs）是光子与金属表面存在的自由振荡的电子相互耦合而产生的一种电磁场模式,能够沿着金属-介质界面传播且在界面两侧以指数形式衰减。基于SPPs的波导结构由于其能够突破衍射极限的限制,并将电磁场束缚在亚波长尺寸,因此在集成光子器件领域得到越来越多的关注。在所有这些SPPs波导中,金属-电介质-金属（MDM）型波导由于具有制作简单、较强的电磁场束缚性、较低的传播损耗等优点而被广泛研究。目前为止,各种基于MDM结构的表面等离子体光波导器件已经被设计并验证,其中包括滤波器、纳米传感器、解复用器和全光开关等。近年来,表面等离子体光波导器件结构中的Fano共振效应引起了研究者的广泛关注,它是由谱线较宽的连续态与谱线较窄的离散态相互干涉引起的,可以产生尖锐且不对称的谱线,具有很大的潜在应用前景。本论文的主要研究内容如下:（1）设计了一种带有枝节的MDM直波导与U型谐振腔侧耦合的表面等离子体光波导器件结构,采用有限元法对该结构的传输特性进行了仿真分析,并用耦合模理论对其进行了理论验证。结果表明,通过调节结构参数,可以灵活地调节传输特性和谱线形状。该结构作为一种高效的等离子体折射率传感器,其灵敏度高达1000nm/RIU,品质因数约为5500。另一个应用是其慢光特性,研究表明其群折射率大于6。此外,通过在器件结构中增加新的枝节和U型谐振腔,可以产生多Fano共振。（2）设计了具有方形开口环谐振腔（SRR）或互补方形开口环谐振腔（CSRR）的MDM等离子体波导结构,在SRR结构中,除了对称的整数阶模式外,还可以激发不对称的非整数阶模式。然而,对于对称的CSRR结构,只能激发整数阶模式,非整数阶模式不能被激发。仿真结果表明,通过改变开口的位置和其它参数,可以有效地调节传输特性。另外,也对器件的折射率传感特性和慢光特性进行了研究。（3）设计了含有T型谐振腔与环形谐振腔的新型MDM表面等离子体光波导结构。研究表明,通过打破T型腔的对称性可以获得单Fano共振,而通过将T型腔与一个或两个圆环谐振腔耦合可以获得双或三Fano共振。基于耦合模理论对传输特性进行了理论分析,解析结果与有限元法计算结果吻合的很好。通过改变结构几何参数可以灵活地调节传输特性。该结构作为一种高效的折射率传感器,其灵敏度高达1400nm/RIU,品质因数约为9000。同时,所设计的器件也具有较好的慢光传输特性。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 表面等离子体激元的研究进展
•   1.3 MDM型表面等离子体光波导
•   1.4 基于MDM波导的Fano共振效应研究现状
•   1.5 本文的研究内容
• 第二章 SPPs的基本理论与数值计算方法
•   2.1 SPPs的基本原理和激发方式
•     2.1.1 金属的介电常数及Drude模型
•     2.1.2 SPPs的色散关系
•     2.1.3 SPPs的激发方式
•   2.2 数值计算方法
•   2.3 带有侧耦合腔的Y型 MDM波导传输特性
• 第三章 与U型谐振腔耦合的MDM枝节波导中的可调Fano共振
•   3.1 引言
•   3.2 结构设计与基本理论
•   3.3 研究结果与讨论
•   3.4 本章小结
• 第四章 含有方形开口环谐振腔的MDM波导中的可调Fano共振
•   4.1 引言
•   4.2 结构设计与基本理论
•   4.3 研究结果与讨论
•     4.3.1 SRR耦合总线波导
•     4.3.2 SRR耦合带有枝节谐振腔的总线波导
•     4.3.3 CSRR耦合带有枝节谐振腔的总线波导
•   4.4 本章小结
• 第五章 含有T型和环形谐振腔的MDM波导中的可调Fano共振
•   5.1 引言
•   5.2 结构设计与研究结果讨论
•     5.2.1 单Fano共振的实现
•     5.2.2 双Fano共振的实现以及应用研究
•     5.2.3 三Fano共振的实现以及应用研究
•   5.3 制备方法
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 个人简况及联系方式

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 伊兴春

导师: 田晋平

关键词: 表面等离子体激元,表面等离子体光波导,共振,折射率传感,慢光

来源: 山西大学

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: 山西大学

分类号: TN252

DOI: 10.27284/d.cnki.gsxiu.2019.001221

总页数: 83

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