混合型表面等离子体波导的传输特性分析

摘要

表面等离子体激元是具有亚波长局域和近场增强特性的表面电磁波，产生于介电常数符号相反的材料界面两侧，在金属中的趋肤深度比入射波长小两个数量级，局域电磁场的能力具有克服衍射效应的潜力，这在纳米光子学，特别是光子互连方面具有深远的影响。设计和研究基于表面等离子体激元的器件已经成为当今纳米光子学领域的热门课题。　　本文提出了两种混合型表面等离子体波导：硅基混合型表面等离子体波导和带缝隙的混合型表面等离子体波导，利用有限元法对上述波导的传播特性分别进行了分析和研究。对于硅基混合型表面等离子体波导，基模模场主要分布于介质楔尖端与金属膜之间，随着缝隙距离的增加，有效折射率和品质因数下降，传播长度和模式面积增大，但有效折射率变化相对缓慢。随着介质层宽度的增加，有效折射率和模式面积增大，传播长度和品质因数减小，但有效折射率变化迅速。随着空气槽宽度的增加，有效折射率、模式面积、传播长度和品质因数都增大。当介质楔尖端到金属层的距离为2.5nm，空气槽两边的介质层宽度为5nm，空气槽宽度为275nm，金属膜宽度为285nm，金属层厚度为100nm，空气槽的深度为120nm，空气槽下部的硅层厚度为350nm时硅基混合型表面等离子体波导的归一化模式面积为0.00082，传播距离为702μm，品质因数达到1.4?106。　　第二种结构为带有缝隙的混合型表面等离子体波导，研究表明，该波导的基模模场主要分布在围绕金属尖端的缝隙区域内，并且其场强在金属尖端附近处达到最大，有效折射率和品质因数随着金属楔型顶角角度增加而减小，传播长度和模式面积随着金属楔型顶角角度增大而增大；随着介质层厚度的增加，有效折射率和模式面积越来越大，传播长度和品质因数越来越小；有效折射率和品质因数随着缝隙的厚度增加而增加，传播距离和模式面积随着缝隙的厚度增加而减小。与楔型表面等离子体波导相比，品质因数可以提高100-200倍。当金属楔角度为60度，缝隙厚20nm，随着介质层厚度的变化，传播长度从265μm下降到70μm，归一化模式面积从0.0024升高到0.0088，品质因数从1.8?105下降到1.4?104；介质层厚为150 nm时，随着缝隙厚度的变化，传播长度从165μm下降到130μm，归一化模式面积从0.025减小到0.0025，品质因数从104升高到105。

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第一章 绪论

§1.1 研究背景和意义

§1.2 表面等离子体激元

§1.3 表面等离子体波导

§1.4 论文主要内容

第二章 表面等离子体激元的基本理论

§2.1 金属的光学性质

§2.2 色散关系

§2.3 特征长度

§2.4 数值分析基础及计算

§2.5 COMSOL软件概述

§2.6 总结

第三章 硅基混合型表面等离子体波导

§3.1 引言

§3.2 硅基光波导

§3.3 硅基混合楔型表面等离子体波导

§3.4 硅基混合楔型表面等离子体波导圆角优化

§3.5 几种波导性能比较

§3.6 结论

第四章 带缝隙的混合型表面等离子体波导

§4.1 引言

§4.2 结构模型

§4.3 传播特性分析

§4.4 结论

第五章 总结与展望

§5.1 工作总结

§5.2 工作展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果