基于带增益介质混合表面等离子体波导特性的研究

摘要

随着光电子学、纳米技术的飞速发展，集成光学对集成系统密度的要求逐渐提高。表面等离子体激元(SPPs)波导可以最大限度地把电磁场约束在金属与介质分界面处，在高速率数据传输的光子学应用上有巨大的优越性。它本质是一种在金属表面存在的自由振动的电子与光子互相作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波，可以突破衍射极限的限制，使系统的集成密度得到极大增强。
　　本文基于表面等离子体波导理论，同时把增益介质引入表面等离子体波导结构中，设计了两种混合等离子体波导结构，并利用有限元法对这两种结构的特性进行了深入研究，为新一代微纳光子集成器件的研制提供了一定的理论基础和设计思路。本文的主要工作如下：
　　(1)介绍了表面等离子体的背景发展状况以及未来的发展趋势，并阐述了表面等离子体波导的相关理论和相应的增益介质材料，简述了波导器件加工工艺，重点分析了刻蚀技术。同时，简单说明了数值计算方法—有限元法，并引出了基于有限元法的COMSOL Multiphysics软件。这些理论分析为以后波导结构的设计和研究提供了相应的依据。
　　(2)设计了一种带增益介质InGaAsP的矩形纳米管混合等离子体波导结构，利用有限元法分析了该混合波导结构的基模电场分布以及模式特性随几何参数的变化。该结构在高密度光子集成系统以及光电集成电路等领域具有重要的应用价值。
　　(3)设计了一种带有增益介质CdS纳米线混合等离子体波导结构，利用有限元法仿真模拟了该波导在工作波长下的基模电场分布以及基模的模式特性随着所设计结构几何参数变化的规律。结果表明它在保持低损耗传输的条件下，能够实现对输出光场的深亚波长约束。此结构能够应用于纳米激光器中。本文进一步分析了此纳米激光器的增益阈值与品质因数，通过优化参数找到较为合适的几何尺寸。同时，此纳米激光器与Bian设计的纳米激光器相比较在保持低损耗传输的同时，具有更加小的增益阈值。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1课题研究背景及意义

1.2表面等离子体概述

1.3表面等离子体的应用前景

1.4表面等离子体的发展方向

1.5本文的主要研究内容

第2章 表面等离子体波导基本理论和制作及数值计算

2.1引言

2.2金属的光频性质

2.3色散关系

2.4表面等离子体的激发方式

2.5表面等离子体的参数特性

2.6增益介质简介

2.7波导器件加工工艺

2.8数值计算方法

2.9本章小结

第3章 基于InGaAsP纳米管HPW特性的研究

3.1引言

3.2数值分析

3.3波导的结构设计

3.4基模电场分布

3.5混合波导模式特性分析

3.6本章小结

第4章 基于CdS纳米线HPW特性的研究

4.1引言

4.2波导的结构设计

4.3基模电场分布

4.4混合波导模式特性分析

4.5混合波导结构在纳米激光器中应用

4.6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢