贵金属及零折射率超材料亚波长波导透射特性研究

摘要

金属-电介质-金属(Metal-Dielectric-Metal,MDM)结构以及零折射率超材料(Zero Index Metamaterial,ZIM)是两类非常有应用前景的微纳光子学系统,可以实现很多突破传统光学衍射极限的功能,能将光场限制在纳米尺度并进行有目的性的传输。本文针对以上这些特点,研究了这两类结构的一些基本性质,提出了对其光学传输特性进行调控的方法,并利用有限元法数值验证了这些功能并对相应特性进行了系统研究及优化。
　　本文针对MDM波导中SPP(Surface Plasmon Polariton)的对称模式,系统地研究了其传输特性的相干调制方法。分析了侧面矩形槽、三角形槽、半椭圆形槽、半圆形槽、双半圆形槽等结构对MDM波导透射谱的调控特性。结果表明不同深度的侧面矩形槽的组合结构具有滤波功能,级联的三个侧面矩形槽以及五个侧面矩形槽结构能被用作宽带滤波器。针对SPP的反对称模式,研究了其存在条件和激发方法。根据对称模和反对称模的模场分布特性,提出了不同的光源激发方案,并得到了对称模、反对称模以及这两种模式以不同相位或幅度组合得到的多种混合模式。分析了侧面矩形槽对这些模式的传输特性的影响。研究了理想的ZIM和光子晶体ZIM的电磁性质。结果表明在理想的ZIM内部电磁场呈准静态的均匀分布。在ZIM边界上,只有以极小角度入射的电磁波才能进入ZIM,而出射波与入射角度无关,始终垂直于出射表面。通过控制内嵌结构的物理参数及界面特性,可以实现对ZIM从全透射到全反射的传输调控。结果表明,不同形状的侧面槽都能实现对MDM波导的透射谱的调控。而多个不同尺寸的槽的组合,可以实现宽带滤波的功能。改变内嵌物的物理参数,可以有效地调控ZIM亚波长波导的传输特性。这些调控手段有望带来更为有趣的微纳光子学应用,如实现高密度集成平台及其之上的光学信号传输和处理。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 本论文主要研究内容

第2章 金属亚波长波导的模式色散理论

2.1 银的介电常数

2.2 MDM结构中SPP的场分布性质

2.3 MDM结构的色散关系

2.4本章小结

第3章 基于有限元方法的仿真与验证

3.1 COMSOL的仿真方法与技巧

3.2 二次开发工作

3.3 并行计算及无用户界面模式

3.4 仿真结果的验证

3.5 本章小结

第4章 MDM亚波长波导的传输调控

4.1 侧面槽对TM0模的传输调控

4.2 TM0模与TM1模的混合模式的传输调控

4.3 本章小结

第5章 零折射率超材料亚波长波导的传输调控

5.1 理想的零折射率超材料的电磁特性

5.2 光子晶体零折射率超材料的电磁特性

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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