金属-介质-金属纳米线表面等离子体光波导中电磁场模式传输特性研究

摘要

随着科学技术的飞速发展，人们对元器件的集成化程度和信息处理速度要求越来越高。传统的电子元件在数字信息的存储和处理速度方面越来越不能满足人们的需求，而光子元件具有高带宽、高速度和低损耗等优势，因此用光子代替电子来传递信息的想法得到广泛关注。然而由于衍射极限的限制，传统光学器件的尺寸在微米量级，难以实现光电子器件在纳米尺度的高度集成。近年来大量的理论研究发现基于表面等离子体激元的光波导器件成为解决这一难题的有效途径，它不但能克服传统光学器件中存在的衍射极限的限制，还可以把电磁场模式束缚在亚波长尺度，满足了光电子器件的微型化和高密度集成化的需求。
　　本文首先分析了金属介电常数的 Drude模型，然后介绍了表面等离子体激元及表面等离子体光波导的基础知识，包括基础理论、色散特性、特性参数和激发方式等；同时对研究表面等离子体光波导传输特性的数值计算方法做了简单介绍。最后提出一种新型的由金属-介质-金属纳米线组成的表面等离子体光波导，并详细研究了其传输特性及串扰特性。下面是本文的重点研究内容：
　　1、本文设计了一种新型的金属-介质-金属纳米线并排放置的表面等离子体光波导。利用COMSOL Multiphysics软件对电磁场模式分布特性和传输特性进行了分析，讨论了几何参数对其所支持的电磁场模式特性的影响。结果表明电磁场模式主要分布在金属和介质纳米线之间的间隙之中，通过改变金属和介质纳米线半径的大小以及其间隙的宽度等参数可以调节电磁场模式的分布特性、传输长度和束缚特性。
　　2、由于制作工艺的限制，在制作光波导的过程中难免会引起一定程度的制作误差，为了研究所提出光波导对制作误差是否有较高的兼容和适应性，对光波导的几何结构进行了轻微改变，重新对电磁场模式的分布特性和传输特性进行了详细的研究。通过对比研究发现所提出的光波导对制作误差有较高的兼容和适应性，在实际应用中有一定的应用价值。
　　3、在高密度集成光学器件中，电磁场模式在相邻光波中传输时会发生模式串扰，从而使高密度集成受到限制。因此我们又对所提出的光波导的模式串扰特性进行了分析，结果表明该光波导模式间发生串扰的几率非常小，可以应用于高密度光子器件的集成。

目录

封面

目录

中文摘要

英文摘要

第一章 引言

1.1研究背景和现状

1.2 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 金属的光频特性

2.2 SPPs的基本原理

2.3 表面等离子体光波导的重要性能参数

2.4 研究方法简介

第三章 金属-介质-金属纳米线SPWs中电磁场模式传

3.1 波导的几何结构

3.2 电磁场传输特性分析

3.3 引入增益介质后对电磁场模式传输特性的影响

3.4 本章小结

第四章 制作容差对电磁场模式传输特性的影响

4.1纳米线排列位置轻微偏移后电磁场模式传输特性研究

4.2纳米线横截面变为椭圆形时电磁场模式传输特性分析

4.3 本章小结

第五章 电磁场模式串扰特性研究

5.1 两个平行放置的SPWs的电磁场模式串扰特性分析

5.2制作容差对电磁场模式串扰特性的影响

5.3与介质-金属-介质SPWs的电磁场模式串扰特性的比较

5.4 本章小结

第六章 总结和展望

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的研究成果

个人简况及联系方式

声明