用于金属-绝缘体-金属波导的光纤连接器设计和优化

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基于表面等离激元的纳米波导能够使光学系统突破衍射极限,可用于超分辨率光学成像,光通信和超高密度信息存储等领域。金属-绝缘体-金属(MIM)结构是表面等离子体纳米结构中最具潜力的,它能极大地减小纳米聚焦过程中产生的损耗。但其本身存在问题:MIM波导的金属部分通常吸收较强,因此其长度是有限制的;另一问题是表面等离激元的激发效率比较低。这使它难以应用于实际的聚焦过程。针对MIM波导在纳米聚焦中的问题,本文基于电磁理论和近场光学理论,提出了一种全新的连接器结构——光纤-MIM波导连接器。它能将光纤纤芯与MIM波导相连,其原理是光纤中的电磁能量经过连接器耦合进入MIM波导,并最终在MIM波导中完成纳米聚焦过程。本文的主要工作如下:(1)设计了光纤-MIM波导连接器。连接器由两部分组成:一个“杯”形状的结构,材料为光塑性环氧树脂SU-8,其“杯”结构供光纤纤芯插入;另一部分是在“杯”的背面紧贴着的一块厚度为几十纳米的金属屏,金属屏上有矩形孔,供MIM波导插入。根据基本的电磁理论和近场理论,对连接器进行了理论分析,分析表明连接器具有高光学效率。在此基础上,提出了一种可能的连接器制作方法。(2)针对设计得到的光纤-MIM波导连接器,利用时域有限差分法(FDTD)对其进行数值仿真,数值计算的结果符合理论预期:连接器在MIM波导中高效激发出了表面等离激元,能量耦合效率高。对于连接器的各个结构参数,我们设计了优化策略,得到了最优化的参数以及最高的能量耦合效率:在金属屏厚度为50nm,采用铝作为金属屏材料时,连接器的能量耦合效率达到最大值79.5%;当MIM波导接入连接器时,能量耦合效率更是高达83.7%。另外我们发现,由于金属屏的厚度大于表面等离激元的穿透深度,从MIM基座发出的背景辐射噪声被大大削弱,这意味着MIM波导将不用通过增加长度的方式减小背景辐射的干扰。
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