基于表面等离子体激元的谐振腔传输特性研究

摘要

现代信息技术的迅猛发展，使得元器件的高速化、微型化和高度集成化成为必然的趋势。光子互连器件在海量数据的高速传输方面有着电子器件无法相比的优势。但由于受到衍射极限的限制，传统光子器件不能与电子器件实现有效地集成。随着微纳加工技术和集成光学的发展，研究者们不断探索如何突破衍射极限，在纳米尺度上实现光的产生、传输、调制等，以获得更快速、高效的光子器件，为实现电子与光子元件的芯片集成，乃至纳米全光回路奠定基础。表面等离子体激元（surface plasmon polaritons, SPPs）以其特殊的光学性质，成为纳米光子学中的一大研究热点。SPPs是一种局域在金属/介质界面的电磁波，在垂直于界面方向，光场能量呈指数衰减。这种电磁模式实质上是金属表面自由电子与光场耦合产生的自激振荡，具有很强的表面束缚性，可以突破衍射极限，因此SPPs器件可以缩小到纳米量级，实现向亚波长尺度的跨越。在传统硅基集成回路中，光学谐振腔是一种应用极为广泛的单元，SPPs微腔将SPPs和微腔的共振特性结合起来，可以同时突破衍射极限以及实现腔内能量的增强，受到了越来越多的关注。
　　本文研究了基于MDM狭缝波导的SPPs谐振腔传输特性，通过有限元方法（FEM）模拟波导谐振腔的透射、反射光谱，以及对应的电磁场分布。探究了结构参数对于谐振腔传输特性的影响，以优化器件尺寸。考虑到表面波的传输距离受金属损耗的影响，引入了增益介质对模式的传输损耗进行补偿，以实现近红外波段的低损耗甚至无损耗表面波传输，提高SPPs谐振腔的传输特性。研究了平面金属光栅结构中的太赫兹波段 SPPs。分析了结构几何参数对表面电磁模式的色散特性的影响，确定其影响的范围和强度。利用优化的结构参数设计了基于表面光栅结构的SPPs腔，并确定了增益介质的引入对谐振腔开/关态控制的提升作用。以上针对带增益介质的SPPs腔的研究，为中红外和太赫兹波段的开关以及激光器应用提供了方案。

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1 绪 论

1.1 引言

1.2 表面等离子体激元简介

1.3 SPPs谐振腔及其研究概况

1.4 本文的主要研究内容

2 狭缝波导的基本性质与计算方法

2.1 嵌入式狭缝波导及其非线性调控

2.2 平面式狭缝波导

2.3 有限宽度的平面式狭缝波导（金属条形波导）

2.4数值模拟方法

2.5 本章小结

3 基于MDM狭缝波导的微盘谐振腔传输特性研究

3.1 谐振腔的传输特性理论分析

3.2 MDM微盘谐振腔的传输特性

3.3 具有增益介质补偿的微盘谐振腔

3.4 本章小结

4 基于平面金属光栅结构的太赫兹波段SPPs研究

4.1 人工表面等离子体

4.2 常见人工金属表面结构

4.3 平面金属光栅的SSPPs特性研究

4.4 增益介质填充光栅凹槽的WRR特性研究

4.5 本章小结

5 总 结

致谢

参考文献

附录

A 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B 作者在攻读学位期间所授权专利