两种新型混合表面等离子体光波导的传输特性研究

摘要

因为与电子器件相比，光子器件具有微型化、高速度、宽频带、高稳定性等多重优势，从而促使时代朝着集成光学的方向发展。然而受到衍射极限的限制，传统光学器件的尺寸在进一步小型化的过程中遇到障碍，难以实现光子器件在亚波长尺度的高密度集成。基于此，人们一直进行着不断的尝试，希望能设计出超小型的光子器件。研究发现表面等离子体波导(SPW)，可以突破衍射极限的限制，使光场束缚在亚波长的尺度，并且可以实现较长距离的传输。因此近些年来，SPW的设计与传输特性研究逐渐成为一个研究热点。SPW对纳米光学和高速集成微型光器件的发展，具有重要的意义。
　　本论文首先阐述了表面等离子体激元(SPPs)的概念和产生的基本原理，以及表面等离子体光波导的分类和特点，然后简述了有限元法和COMSOL Multiphysics软件的使用。接着重点阐述了所设计的两种新型混合表面等离子体光波导，对其基模的传输特性进行了深入细致的研究。论文的主要研究内容如下：
　　(1)设计了一种新型同轴多层混合表面等离子体光波导结构，通过改变介质层的折射率，会呈现出不同的电磁场模式分布特性和传输特性。模拟仿真结果表明，电磁基模场主要束缚在低折射率的介质区域。研究发现，工作波长和波导几何参数对波导结构的有效折射率、传播长度、模式面积、以及束缚因子等参数具有重要影响。数值分析结果表明，这种新型SPW不仅具有良好的模式束缚特性和较长的传播长度，而且具有潜在的实验室测试和应用前景。同时，研究还发现通过使用增益材料，可以实现模式损耗的补偿，从而进一步增加传输距离。
　　(2)设计了一种基于对称介质纳米管的混合表面等离子体光波导，这种结构的SPW同时支持对称和反对称两种电磁场模式，通过数值模拟，对其分布特性和传输特性进行了研究。仿真结果表明，介质波导模式和表面等离子体激元模式之间的强耦合可以使电磁场紧紧束缚在介质纳米管和金属条之间的间隙区域。同时，实现了亚波长模式束缚和长距离传输。此外，还与文献报道的相近几何结构的SPW传输特性进行了对比研究，结果表明所提出的这种波导结构同样具有传输性能良好、结构简单、易于实验室制作的特点。通过调整结构的几何参数，可以实现调控其模式传输特性的目标，有一定的实用价值。

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第一章 绪论

1.1 研究目的和意义

1.2 表面等离子体的的发展史

1.3 表面等离子体光波导的应用

1.4 本文的研究内容

第二章 表面等离子体光波导的基本理论

2.1引言

2.2表面等离子体激元的基本原理和激发方式

2.3 研究表面等离子体光波导传输性能的重要参数

2.4数值分析方法

第三章 同轴多层混合SPW的设计和特性研究

3.1引言

3.2结构设计

3.3 传输特性分析

3.4本章小节

第四章 金属和介质纳米管组成的混合SPW的传输特性研究

4.1引言

4.2结构设计

4.3模式特性分析

4.4本章小结

第五章 总结和展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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