基于表面等离子体激元的滤波器与解波分复用器理论研究

摘要

表面等离子体激元是一种沿着金属-介质界面传播的电磁表面波，由于其表面增强和高度局域的特性，使得人们得以克服衍射极限，在亚波长尺度的金属微结构中实现对光的传导和操控。目前，表面等离子体激元的理论研究趋于成熟，逐渐形成完善的学科，并在集成光学领域占有关键的一席之地。基于表面等离子体激元的应用研究也已在多个领域取得突破进展，包括集成波导、生物传感检测、纳米光刻、数据存储和新型光源等，从而极大地提升了光子器件的性能和光学回路的集成度。本文旨在帮助推进纳米尺度下光波的操控和光子器件设计，因此，基于表面等离子体激元在集成波导方面的研究，我们提出一类新型的滤波器和解复用器。本论文主要的研究内容如下：
　　首先，根据金属的Drude模型，基于麦克斯韦方程组，理论分析了表面等离子体激元的色散特性，并介绍了表面等离子体激元的四个特征参数，以及根据波矢匹配在金属表面将表面等离子体激元激发出来的方法。接着，介绍金属-绝缘体-金属（Metal-Insulator-Metal，MIM）波导结构的原理和性质。
　　其次，简要分析了本论文用到的研究方法，介绍了时域有限差分方法（Finite-Different Time-Domain，FDTD）的实现原理、激励源设定、稳定性要求和边界条件等，并结合FDTD仿真软件，对边耦合和肩耦合这两种谐振腔结构的耦合模理论做了阐述，分析验证了它们的传输和反射特性。
　　然后，基于交叉形MIM波导的传输特性，我们将其与一组六边形谐振腔耦合，设计出一种新型的滤波器结构。该结构中，两条MIM波导相互正交，构成一个输入端口和三个输出信道。耦合模理论分析显示，通过调整不同信道间的表面等离子体波之间的相位，可以使得滤波信道中的传输效率达到峰值。而这一过程可以直接通过调节谐振腔的位置来容易地实现。我们采用FDTD仿真对理论分析进行了验证，此外，仿真显示在该结构中，通过调节耦合距离可以优化传输效率和线宽，还可以调节腔体的边长和填充介质来实现工作波长的调谐。
　　最后，基于交叉波导上滤波器的理论研究，我们设计出一种新型的解波分复用器。该结构由一组十字交叉波导与三组六边形谐振腔构成，通过合理的布局，在三个信道中可以得到较为均衡的传输光谱，并最终得到较理想的传输效率和传输线宽，这说明该结构能成功实现波导交叉中的三端口解复用，对于构建复杂的光学系统和网络具有极大的应用潜力。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 表面等离子体激元

1.3 表面等离子体激元在滤波与解波分复用中的应用

1.4 本文的主要研究内容

第二章 表面等离子体激元理论基础

2.1 引言

2.2 金属的Drude模型

2.3 表面等离子体激元的色散特性

2.4 表面等离子体激元的激发方式

2.5 表面等离子体激元的特征参数

2.6 MIM波导理论分析

2.7 本章小结

第三章 时域有限差分法与耦合模理论

3.1 引言

3.2 时域有限差分法FDTD

3.3 基于谐振腔的耦合模理论

3.4 本章小结

第四章 基于SPPs的新型滤波器和解波分复用器

4.1 引言

4.2 基于十字交叉波导的滤波器理论分析

4.3 滤波器传输特性的数值仿真

4.4 结构参数对传输特性的影响

4.5 基于十字交叉波导的多波长解复用器

4.6 本章小结

第五章 结束语

参考文献

致谢

攻读硕士期间已发表的学术论文

攻读硕士期间参加的科研项目