基于表面等离子体激元谐振环的光学特性研究

论文摘要

表面等离子体激元具有近场聚集、透射增强、超高分辨率成像等突出特性，利用表面等离子体激元开发的光子器件在小型化方面具有明显的优势。近年来，对于表面等离子体激元的研究在光学波导器件、超分辨成像、生物传感器等相关领域成为一个新的热点。本文利用表面等离子体的特殊性质，提出了一种椭圆轨道谐振环波分复用器件，通过增加长直波导来实现对双通道耦合谐振环的改进，达到了增加耦合效率，增强分波效果的目的。论文重点探讨了模型器件中耦合长度，耦合间距，环形波导半径对器件耦合效果的影响。通过分析可知，耦合长度越长，波导间的有效作用范围越大，波导的耦合效率越高；随着耦合长度的改变，谐振环器件的环程差随之变化，耦合波长发生变化。研究表明，环形波导半径的改变同样将影响器件的环程差，进而引起耦合波长的周期性改变；环形波导的半径越大，吸收峰的峰值越低，吸收峰的间距（自由光谱范围）越小。对于耦合间距的选择，分析得出间距在25-35nm时效果较好，过大则损耗严重，过小则会增加非谐振光的透射。对比耦合长度对谐振波长的影响，分析得出，依靠耦合长度的改变来实现谐振波长的控制要优于通过改变环形波导的半径来实现谐振波长的控制，这也就体现了本文提出模型的优势。最后，论文讨论了当耦合长度为1.2微米、耦合间距25纳米、环形波导半径1.0微米时，MDM型谐振环的分波效果，其自由光谱范围在50nm左右，-3dB带宽在6nm左右，输出端口的插入损耗小于1.5dB。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 表面等离子体的研究进展
• 1.2 表面等离子体光学的主要应用
• 1.3 基于表面等离子体谐振环的研究概况
• 1.4 本文的主要工作及研究意义
• 1.4.1 内容概览
• 1.4.2 实际意义
• 第二章 表面等离子体基本理论
• 2.1 金属表面倏逝波理论
• 2.2 表面等离子体电磁场特性
• 2.2.1 表面等离子体的色散关系
• 2.2.2 表面等离子体的特征长度
• 2.3 表面等离子体耦合激发方式
• 2.4 本章小结
• 第三章 微环耦合理论及等离子体分析方法
• 3.1 微环谐振耦合理论
• 3.1.1 波导耦合模理论
• 3.1.2 单通道波导谐振环耦合理论
• 3.1.3 双通道波导谐振环耦合理论
• 3.2 等离子体数值分析方法
• 3.2.1 二维时域有限差分法理论
• 3.2.2 金属Drude 色散模型
• 3.2.3 吸收边界条件的确定
• 3.3 本章小结
• 第四章M DM 型耦合谐振环的波分复用特性研究
• 4.1 MDM 型耦合谐振环波分复用器模型
• 4.2 数值仿真分析
• 4.2.1 耦合长度对耦合效果的影响
• 4.2.2 耦合间距对耦合效果的影响
• 4.2.3 环形波导半径对耦合波长的影响
• 4.3 M DM 型耦合谐振环波分复用特性分析
• 4.4 表面等离子体MDM 型耦合谐振环其他应用
• 4.4.1 谐振环光开关
• 4.4.2 环形腔光探测器
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结展望
• 5.1 主要研究内容和结论
• 5.2 研究展望及进一步工作
• 参考文献
• 致谢
• 硕士研究生期间发表论文