论文部分内容阅读
表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是一种特殊电磁波,由入射光波耦合金属中自由振荡的传导电子形成,具有集体电荷振荡形式。这种电磁波沿金属-介质分界面传输,在垂直于分界面的方向上呈指数衰减,具有极小的模式面积,能够突破光学的衍射极限,实现在亚波长范围内的电磁场调控与传输。以其优良的光学性能,SPPs被认为是能量和信息的良载体,为功能各异的集成纳米光子器件的设计提供了一种新思路,因此基于SPPs的表面等离子体光波导(Surface Plasmonic Waveguides,SPWs)器件成为一个颇受关注的研究热点。金属-介质-金属(MIM)型SPWs结构,具有SPPs易激发、结构易制作、加工工艺成熟,且对电磁场的束缚性强、传播距离远、耦合损耗较低等特性,逐渐成为SPWs光波导器件的首选。近年来,已经设计并研究了许多能够实现不同功能的基于MIM结构的亚波长SPWs器件。本文在前人研究的基础上,采用数值仿真与理论推导相结合的方式,设计研究了两种基于MIM结构的性能优良的、具有类等离子体诱导透明传输特性的新型SPWs器件。论文主要研究内容如下:(1)设计了一种带有开口方环谐振腔的MIM型SPWs结构。利用基于有限元法的仿真软件对该结构的传输特性进行了数值分析,并采用耦合模理论对结构的法诺(Fano)谐振传输特性进行了理论验证,证明了仿真结果的准确性。通过改变诸如枝节谐振腔高度、开口环尺寸等结构参数和结构对称性,详细研究了几何参数对所设计的SPWs器件传输特性的调控特性。同时,通过计算谐振腔内部介质折射率变化引起的谐振峰的位置变化和强度变化,研究了该器件在折射率传感器领域的应用特性,结果表明,可以实现1500nm/RIU的灵敏度,可以被广泛的应用在纳米折射率传感器领域。(2)设计了一种基于MIM结构的具有类等离子体诱导吸收(PIA-like)传输特性的SPWs结构,由两个环形谐振器与直波导直接或间接耦合构成。研究表明,这种类PIT型传输特性是由于两个谐振器间的强相互作用导致的谐振模式发生分裂而形成的。这种模式分裂不仅对几何尺寸的变化敏感,也对填充在谐振器内部的介质折射率非常敏感。另外,研究还证明,在该结构中传输的SPPs的群折射率在特定波长位置处可以呈现较大的正值或者负值,说明发生了较强的正常色散或者反常色散,分别可以实现慢光和快光传输特性。所设计的结构不仅能实现纳米尺度的滤波功能和灵敏度高达685nm/RIU的纳米折射率传感功能,还能够为光速的控制提供一种新的思路。