基于表面等离子体的光学定向耦合器

摘要

现今为了获得更快的信息传输速度和更大的信息运载量，光子技术(以光子作为信息传输的载体)逐渐成为人们研究的热点，但与传统的电子器件(超大规模集成电路技术)相比光子器件的小型化进程则要落后很多。目前电子器件的尺寸已达到纳米量级，而典型光波导的横向尺寸仍停留在微米量级。表面等离子体的出现为解决上述尺寸匹配难题提供了一种新的解决方案，基于表面等离子体的器件同时拥有光学器件的传输信息大容量性和电子器件的小型化优点，它为光电集成、全光集成的研究指明了新的方向。
　　目前基于表面等离子体的光学器件已经得到了广泛的研究，有大量的器件结构被提出，在众多基于表面等离子体的光学器件中，光学定向耦合器是一种最基本的光学器件，它被广泛用作分光计、光开关、信号检测计，功率分配计等等，是集成光学器件的重要组成部分。因此对高集成度的光学定向耦合器的研究具有重要的实际应用价值。
　　本文主要研究了基于表面等离子体的光学定向耦合器，首先利用麦克斯韦电磁场理论对表面等离子体的基本性质进行了研究，详细讨论了其产生条件、传播方式、色散关系、激发方式、激发光的属性、电磁场分布特点等等。其次介绍了计算电磁学中一种重要的数值模拟方法，即时域有限差分方法(Finite Difference Time Domain, FDTD)。详细推导了单轴各向异性完美匹配层(UPML)中电磁场随时间演化的微分方程，并进行了离散化处理，得到了电磁场随时间递进的差分方程。并利用时域有限差分方法对金属-绝缘体-金属(Metal-Insulator-Metal, MIM)波导进行了仿真计算，讨论了其传播模式，传播损耗和光场分布特点等等。最后设计了以MIM波导为基础的高集成度的光学定向耦合器，包括MIM二分支定向耦合器，变阻的MIM二分支定向耦合器和MIM环型定向耦合器，其尺寸都在纳米量级。利用时域有限差分方法在MATLAB编程平台上计算得到了器件的模拟情况。通过对器件仿真结果的分析，对所设计器件的功能、特性参数、品质给出系统的评价，并对其中的物理过程给出了适当的解释，研究表明这些结构具有传统定向耦合器的功能，并且将光限制在子波长量级内。

目录

基于表面等离子体的光学定向耦合器

Optical Directional Coupler Devices Based on SPPS

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 课题研究的目的及意义

1.3 表面等离子体的研究概况

1.3.1 金属的复介电常数

1.3.2 表面等离子体的存在条件、色散关系及激发方式

1.4 定向耦合器的研究概况

1.5 本文主要研究内容

第2章 定向耦合器的基本原理

2.1 定向耦合器的工作原理

2.2.1 简单机理

2.2.2 定向耦合器的主要技术指标

2.2.3 对称理想定向耦合器的散射矩阵

2.2.4 奇偶模理论

2.2 UPML层中的FDTD公式

2.2.1 时域有限差分方法简介

2.2.2 FDTD公式推导

2.3 金属-绝缘体-金属(MIM)光波导

2.4 本章小结

第3章 分支型定向耦合器

3.1 MIM分支型定向耦合器

3.2 变阻的MIM分支型定向耦合器

3.3 本章小结

第4章 环型定向耦合器

4.1 MIM环型定向耦合器设计

4.2 模拟结果分析

4.3 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢