亚波长等离激元波导传输特性的研究

论文摘要

我们即将进入一个光电集成的时代,但电子器件、光子器件尺寸的不匹配影响了集成度的进一步提高。电子器件能集成在百纳米以下,而光子器件由于受衍射极限的影响,尺寸在微米量级。虽然光子晶体可以部分地解决问题,但它是典型的周期性结构,只能有部分波长的光通过,不能完全满足要求。表面等离激元(SPPs)是指外界光场和金属表面的电子相互作用而被其俘获,它既具有光子学的速度,又具有电子学的尺度。SPPs为全面突破这一瓶颈带来了新的希望,从而能走出现在的困境。利用SPPs人们可以实现横截面尺寸远小于半波长的光波导。SPPs具有广泛的应用前景,例如亚波长光学、光存储、新型芯片、光刻蚀术和生物光学等。现在,SPPs引起了各个领域科学家的关注,包括物理学、化学、材料学以及生物学等。SPPs最吸引我们的地方在于它能够在亚波长结构中对光进行约束和操控。金属介质亚波长等离激元波导被视为未来最有希望实现光电纳米集成的主导技术,我们的研究主要围绕其传输特性展开。本文的内容主要分为以下几个部分:首先概述了表面等离激元的意义、形成、发展、应用等情况。讨论了表面等离激元的特性。对SPPs的色散关系进行了分析,从理论上证明了表面等离激元波不会以TE模式存在,而只能以TM模式存在,探讨了SPPs的特性参数。此外,还进行了金属介质界面上的SPPs传播的研究。本论文的重点是探讨亚波长等离激元波导的传播特性。我们对隧道、矩形孔、带状不同结构的金属介质亚波长等离激元波导的有效折射率、传输损耗、场分布等进行了比较研究。设计了90°拐角、Y型分束器和S型亚波长等离激元波导,并运用时域有限差分法(FDTD)分析了传输特性,创新性得设计了一种基于亚波长等离激元波导的谐振环结构。低损耗亚波长金属介质等离激元波导的也是我们研究重要之一。总之,本文的分析为进一步研究和探索亚波长等离激元波导提供了理论依据和技术支持,对设计亚波长光子器件也有一定的借鉴意义。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 缩略词
• 第一章 引言
• 1.1 近场光学简介
• 1.2 表面等离激元的概述
• 1.2.1 表面等离激元的发展
• 1.2.2 表面等离激元的新现象
• 1.3 表面等离激元的应用前景
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 第二章 表面等离激元的特性
• 2.1 金属色散模型
• 2.1.1 Drude模型
• 2.1.2 Drude模型理论数据和实验数据比较
• 2.2 数值分析方法
• 2.3 表面等离激元的特性
• 2.3.1 色散关系
• 2.3.2 特性参数
• 2.4 金属介质界面上的表面等离激元
• 第三章 亚波长等离激元波导的传输特性分析
• 3.1 金属介质等离激元波导
• 3.1.1 波导结构
• 3.1.2 特性分析
• 3.2 基于隧道结构的等离激元波导
• 3.3 低损耗金属介质波导的研究
• 3.4 小结
• 第四章 总结与展望
• 4.1 总结
• 4.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表