基于类表面等离激元共振的亚波长微波波导研究

摘要

随着信息技术的不断发展，人们对高集成的光子及微波器件关注热度逐近攀升，其中表面等离激元(surface plasmon,SP)更是成为研究的热点。SP是沿金属与介质交界面传播的电磁共振态，其工作频率一般在可见光和近红外区域。人工表面等离激元(spoof SP)可以拓宽工作频率，本文主要研究如何通过人工结构的形式及几何参数来实现微波和太赫兹频率SPs的传输控制。
　　本文从表面等离子激元的两大特性出发，来了解金属波导内表面的SPs传播模式。表面等离激元一般可分为局域表面等离激(Localized surface plasmon,LSP)与表面等离极化激元(surface plasmon polariton,SPP)。本文首先介绍了几种产生spoof SPP的人工结构并总结了各自的优缺点，并详细地分析了一维有限厚金属周期表面凹槽结构表面模的基本特性，并用有限元数值方法验证了spoof SPP的传输特性与该结构的几何参数之间的关系。此外，我们开展直接的微波实验测量，测量了一阶模式与二阶模式的色散曲线，与计算结果相符。
　　我们同时研究了二维金属表面凹槽所对应反结构（即金属方柱阵列）中产生spoof SPP的情况，研究了这种结构的色散特性，理论与数值结果较为吻合。
　　本文进一步研究了有限长一维周期凹槽卷起来绕成圆柱状结构的特性，即其中的spoof LSP特性。从理论出发研究其共振峰的位置与几何参数的关系，同时分别仿真分析了二维结构与三维结构情况的共振现象。在此基础上，提出了一种新的复合结构，讨论了其中的模式耦合情况，并仿真分析了这种复合结构中的模式竞争所致的Fano共振现象。
　　扩展到实际应用中时，为了将spoof SPP紧密的束缚在更小的尺寸范围，类比SP狭缝波导的一种新型波导—“spoof-insulator-spoof”(SIS)波导—被提出。我们讨论了这种波导的色散曲线与结构的关系，并从理论与仿真两方面进行了对比。最后，本文研究了spoof LSP谐振器与SIS波导之间的不对称多模耦合现象。模型组件是spoof LSP谐振器与两个SIS波导。并从哈密顿量出发，发展了可以完整地描述多个谐振模式和它们跟外界电磁环境（包括波导及辐射通道）耦合的多模耦合模理论，通过适当选取共振模的阶数，给出了与数值结果相符的理论预测。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状分析

1.3 本论文主要研究内容

第2章 表面等离极化激元基本理论及研究方法

2.1 表面等离极化激元的基本理论

2.2 耦合模理论(CMT)

2.3 数值仿真

2.4 本章小结

第3章 周期沟槽表面结构的SPP特性研究

3.1 常见人工金属表面结构

3.2 一维金属周期性波纹表面结构的色散研究

3.3 有限厚一维金属表面沟槽结构的色散仿真及实验

3.4 spoof-insulator-spoof(SIS)波导的色散特性

3.5 二维柱状金属阵列排布结构的色散特性

3.6 本章小结

第4章 局域类表面等离激元的特性研究

4.1 局域类表面等离激元的共振特性

4.2 多尺度局域类表面等离激元结构的特性研究

4.3 本章小结

第5章 不对称多模耦合系统传输特性研究

5.1 不对称多模耦合理论分析

5.2 不对称多模耦合理论实例介绍

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致谢