表面等离子体在金属—电介质—金属结构内的传输特性

论文摘要

表面等离子体波（Plasmonic Wave）是一种能在亚波长尺度传播,是一种通常局域在电介质和贵金属构成的界面中的表面电磁波。它可用于实现纳米光学集成元件,近十年以来逐渐成为基础及应用研究的热点。在众多表面等离子体波导各结构中,基于金属-电介质-金属（Metal-Dielectric-Metal,MDM）结构的表面等离子体波导广受青睐。因为它相对其它形状的波导来说,这结构上更加紧凑,因而体积小,集成度高,非常易于用在集成光学回路中。本文主要研究表面等离子体波在MDM波导结构中的传输特性,重点研究了几类特殊的表面等离子体波导器件,并详细研究几种在纳米量级内对表面等离子体波的调控方法。本文中,首先我们结合理论分析,采用基于有限元法（Finite Element Method,FEM）的数值模拟研究了MDM结构中,介电通道几何尺寸,工作波长,波导结构等对表面等离子体波传输特性的调控机理。在周期性结构中构造一个缺陷腔来实现了表面等离子体波近场电磁波能量的局域化及增强效应。利用COMSOL Multiphysics进行的计算结果表明:改变电介质的几何参数,如电介质厚度及介电常数,金属表面引入周期性结构,构造垂直齿形波导等,可以非常方便的操控表面等离子体波的传输距离,方向,以及透过率等。其次,计算还发现,带有垂直齿形分支的MDM波导具有非常特别的滤波特性。而且滤波频率及带宽强烈依赖于齿形凹槽的宽度及深度。基于散射矩阵模型,我们得出了表面等离子体齿形波导的理论模型和透射率表达式。推导出了透射率公式,得到了透射率随波长的变化关系曲线,结合耦合共振腔理论,确认当齿形波导深度满足干涉相消条件时,该波长的表面等离子体波不能传输,因此用其可以实现灵活的可调滤波功能。数值仿真的结果证明了以上理论分析的结果。这些研究结果为进一步设计宽带表面等离子体波导滤波器提供了有益的依据。能够实现对特殊的表面等离子体波的控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 传统电磁媒介与非传统电磁媒介
• 1.3 表面等离子体的概述
• 1.4 国内外研究现状
• 1.5 本论文研究的主要内容
• 第2章 基本理论和数值模拟方法
• 2.1 贵金属的Drude模型
• 2.2 光滑平板表面等离子体激元的色散关系和特征长度
• 2.2.1 表面等离子体激元（SPP）的色散关系
• 2.2.2 SPP的波长
• 2.2.3 SPP的传输长度特性参数
• 2.2.4 SPP的穿透深度
• 2.3 激发表面等离子体的条件
• 2.4 金属-电介质-金属（MDM）波导中光传输的数值模拟方法
• 2.4.1 有限时域差分法
• 2.4.2 有限元方法
• 2.5 本章小结
• 第3章 亚波长金属-电介质-金属（MDM）结构中SPP的传播与控制
• 3.1 通道间距对传播特征模式的影响
• 3.2 工作波长对表面等离子体波传输特性的影响
• 3.3 散射及吸收损耗
• 3.3.1 弯角和缺陷
• 3.3.2 非理想Drude模型及欧姆吸收
• 3.4 MDM结构中齿形波导的干涉效应
• 3.5 本章小结
• 第4章 带结构的平板中SPP的传播与控制
• 4.1 光滑平板—单边周期性调制的复合结构
• 4.2 双边周期性平板结构的调制
• 4.2.1 结构周期大小对SPP的调控
• 4.2.2 周期结构相位变化对SPP的调控
• 4.3 SPP在金属-电介质结构界面中的特性
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢