基于纳米狭缝的长程表面等离激元定向耦合器的研究

摘要

表面等离激元光子学中一个重要的研究课题就是将自由空间的光耦合成表面等离激元(SPP)。通常采用透明棱镜、金属光栅结构来实现光子和SPP之间的动量匹配。显然，这些结构太大，很难应用于高度集成的光子电路和等离子器件中。实验证明，许多纳米结构，如纳米狭缝、纳米凹槽、类屋脊结构、纳米天线等，不仅能有效地将自由空间的光耦合成SPP，还能控制产生SPP的传播方向。对比无限大金属表面的SPP，长程表面等离激元(LRSPP)在损耗金属中的色散较弱，损耗小，传播距离更长。因此低损耗的LRSPP的定向耦合有着更加广泛的需求。
　　本文首先介绍了SPP的研究背景及其在生物化学传感器、光存储、光波导方面的应用，接着主要调研了基于不同纳米结构的SPP定向耦合器的发展现状。第二章主要分析了SPP的色散关系和传播特性，重点介绍了时域有限差分法(FDTD)的基本原理，包括Yee网格、数值稳定条件、吸收边界条件等。第三章回顾了LRSPP的发展历史，介绍了LRSPP和短程SPP(SRSPP)的基本原理，并对比了它们的光学性质，接着由Durde模型出发，介绍了几种常见SPP的激发方式。第四章，为了实现稳健的LRSPP的定向耦合和满足宽带宽等离子光路的需求，我们提出了一种新型的可见光波段的宽带宽的基于纳米狭缝的定向LRSPP耦合器。通过调节入射光的角度，就能控制产生的LRSPP的传播方向。为了更好地发挥LRSPP定向耦合器的性能，首先分析了耦合器中存在的SPP模式，接着使用有限元仿真方法，系统研究了定向耦合器中的LRSPP模场分布，以及不同入射角情况下，结构参数对耦合器的消光比、有效角宽度的影响。最后通过优化结构参数，获得LRSPP定向耦合器的最大消光比高达28dB，有效带宽为170nm，有效角宽度为30°。我们所提出的LRSPP定向耦合器在等离子器件、高度集成等离子光路、光开光方面具有很大的应用前景。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 SPP的应用

1．2．1 生物传感器方面的应用

1．2．2 光存储方面的应用

1．3 定向SPP耦合器的研究现状

1．3．1 基于单个狭缝的SPP定向耦合器

1．3．2 基于两个狭缝(凹槽)的定向SPP耦合器

1．3．3 其他定向SPP耦合器

1．4 本论文的创新点和章节安排

2 SPP的基本理论

2．1 Drude模型

2．2 金属-电介质面SPP的传播特性

2．2．1 传播波和倏逝波的性质

2．2．2 SPP简介

2．2．3 半无限大金属-电介质面SPP的基本性质

2．3 时域有限差分算法的基本原理

2．3．1 Yee网格

2．3．2 数值稳定性条件

2．3．3 吸收边界条件

2．4 本章小结

3 长程SPP传播特性的研究

3．1 长程SPP的发展史

3．2 长程SPP的传播特性

3．2．1 LRSPP、SRSPP

3．2．2 LRSPP的光学性质

3．3 SPP的激发方式

3．3．1 衍射补偿法

3．3．2 衰减全反射法

3．3．3 近场激发

3．4 本章小结

4 基于纳米狭缝的LRSPP定向耦合器的设计、分析

4．1 引言

4．2 定向LRSPP耦合器的模式特性研究

4．2．1 基于纳米狭缝的定向LRSPP耦合器的结构设计

4．2．2 定向LRSPP耦合器中的模式分析

4．3 LRSPP耦合器定向耦合特性的研究

4．3．1 LRSPP定向耦合器的耦合性能分析

4．3．2 LRSPP定向耦合器的结构参数的影响

4．4 本章小结

5 总结与展望

参考文献

作者简介

攻读硕士学位期间发表的论文