由对称矩形介质条和金属薄膜组成的表面等离子体光波导的传播特性研究

摘要

随着现代社会信息化程度的不断提高,对数据处理速度以及元器件的集成度的要求也越来越来高。基于传统介质光学的器件由于受到光学衍射极限的限制,很难在纳米尺度上实现光信号的传播﹑存储和相关处理,也不能满足光学器件的微型化和高度集成化。近年来,一种被称为“表面等离子体激元”的新发现引起了人们的极大关注。表面等离子体激元是由光子与金属表面自由电子相互作用而引起的一种电磁模式,它既有光子学的速度,又有电子学的尺度。基于表面等离子体激元的介质-金属光波导可以突破衍射极限实现对光的亚波长约束,被认为是目前实现光电纳米集成的主导技术。目前,表面等离子体光波导、亚波长孔径的增强透过现象以及光控高速开关从实验和理论上都得到了广泛的论证。随着纳米技术的蓬勃发展,各种结构的表面等离子体光波导不断出现,在各个领域发挥着越来越重要的作用。
　　本文首先阐述了表面等离子体激元和表面等离子体光波导的概念和性质,然后提出并研究了两种新型的表面等离子体光波导结构,通过改变几何参数利用COMSOL软件对这两种波导进行数值模拟,并对其传播特性进行了分析和讨论。
　　主要内容如下:
　　(1)设计了一种横向对称的表面等离子体光波导结构。讨论了几何参数对其所支持的基模电磁场的传播特性,包括纵向能流密度、有效折射率、归一化模式面积以及传播长度的影响。结果表明,基模电磁场主要分布在两个矩形的介质条内。通过调节两个矩形介质条长和宽以及两矩形介质条之间的距离和金属薄膜的厚度可以有效调节模式的有效折射率、归一化模式面积和传播长度的大小。
　　(2)设计了一种横向和纵向都对称的表面等离子体光波导结构。讨论了该波导几何参数对其所支持的基模电磁场的传播特性,包括纵向能流密度、有效折射率、归一化模式面积以及传播长度的影响。最后在相同参数条件下对两种波导研究结果进行对比,结果表明关于横向和纵向都对称的波导具有更好的传播特性。
　　(3)由于以上两种波导的模式在传播过程中可能会发生耦合,所以我们进一步研究了几何参数对于两种波导模式耦合长度的影响。研究结果表明,通过调节波导的各个几何参数,能使得波导具有较好的模式传播特性。

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第一章 引言

1.1 表面等离子体激元

1.2 表面等离子体光波导

1.3 数值模拟方法

1.4 COMSOL软件的介绍

1.5 表面等离子体光波导中的几个特征值

1.6 论文的主要内容

第二章 横向对称的矩形介质条和金属薄膜组成的表面等离子体光波导的传播特性研究

2.1 结构模型和计算方法

2.2 传播特性分析

2.3 本章小结

第三章 横向和纵向都对称的矩形介质条和金属薄膜组成的表面等离子体光波导的传播特性研究

3.1 结构模型和计算方法

3.2 传播特性分析

3.3 本章小结

第四章 对前述两种SPWs所支持模式耦合长度的研究

4.1 对 AHSP波导的耦合长度的讨论

4.2 对 SHSP波导的耦合长度的讨论

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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