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基于表面等离激元的纳米金属/介质混合波导性质的研究

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基于表面等离激元的纳米金属/介质混合波导性质的研究

作者：张义磊北京邮电大学

学位级别：硕士

近些年来,面向高速发展的社会和急剧增长的信息量对光通信技术的重大需求,旨在解决传统光通信中器件体积大、速度慢、集成度低、衰减快等实际问题,研究表面等离激元(surface plasmon polaritions,SPPs)的新效应和新现象,在理论上和实验... 详细信息

近些年来,面向高速发展的社会和急剧增长的信息量对光通信技术的重大需求,旨在解决传统光通信中器件体积大、速度慢、集成度低、衰减快等实际问题,研究表面等离激元(surface plasmon polaritions,SPPs)的新效应和新现象,在理论上和实验上实现微型化、集成化、功能化、高速化的纳米光子器件,为未来集成光学中的光信息的传输和处理提供新的依据和方法。表面等离激元是金属表面上的束缚电磁波,能突破衍射极限,并且具有巨大的局部场增强效应,因此在纳米光子器件及非线性光学等领域具有重大的应用前景,也是光-电结合的有效桥梁。本文主要研究光波导的一些性质,传统的SPP波导大多是在介质和金属表面激发SPP,而这种SPP损耗比较大,衰减比较快,这是由于金属本身不可避免的欧姆热损耗;但是此金属波导一个很重要的优点就是它对电磁波能量的局域性比较好,这对于长距离电磁波传输是一个很重要的特性;相反,电磁波在介质波导中传播的损耗非常小,但是介质波导有一个很大缺点就是它对电磁波能量的局域性很差,这使得电磁波在传播过程中很容易扩散到其他方向上。基于以上普通SPP波导和介质波导的特点,提出了一种新的波导-表面等离子体混合波导。本文研究的混合波导是由高折射率的半导体纳米线Si(圆柱型波导)嵌入到不同低折射率介质中,同时衬底是一块金属薄膜(SPP波导)形成的;其中低折射率介质包括氟化镁(MgF2)、二氧化硅(SiO2)、氧化铟锡(ITO)和二氧化钛(TiO2)。由于圆柱型介质波导和表面等离子体波导在中间低折射率介质层发生耦合形成混合等离子体波导,研究了这种波导的基本特性,包括波导的有效模面积,传播长度,模式特性,耦合强度和品质因数等。研究结果表明通过调整此结构的尺寸和电介质材料我们可以使传播距离达到毫米范围,同时仍保持有效模面积局域性。这种方法对于设计出高品质的等离子体纳米激光器非常重要同时也为实际的光学器件设计起到非常重要的作用。具体内容分为以下几个部分：1.简单介绍了论文的研究背景、表面等离激元的产生过程和研究意义。对金属的Drude模型进行了简要描述。2.简单介绍了表面等离激元色散关系及基于表面等离激元波导,最后讨论了基于表面等离激元波导的损耗问题。3.简单介绍了常用几种激发表面等离激元方法和两种常用的数值计算方法-FDTD、FEM方法。4.提出了基于表面等离激元金属/介质混合波导,并利用数值分析分法进行结构仿真及理论分析。通过混合波导中间介质的折射率和半导体纳米线Si的直径来影响波导特性。包括波导的有效模面积,传播长度,模式特性,耦合强度和品质因数等。综上所述,本文的工作对于基于表面等离激元的光学器件尤其是混合光波导的研究具有一定的意义,为进一步设计出高品质的等离子体纳米激光器提供了一定的理论依据,也对基于亚波长尺度的光学器件的仿真和设计具有一定的借鉴意义。

关键词：表面等离激元混合波导耦合强度有效模面积品质因数

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椭圆柱型混合表面等离子体波导传输特性研究

椭圆柱型混合表面等离子体波导传输特性研究

作者：熊秋林深圳大学

学位级别：硕士

随着信息技术的不断发展,人们对光电集成度的要求越来越高,然而衍射极限成为高密度的光电集成电路发展的瓶颈。混合型表面等离子体光波导能够突破衍射极限,在亚波长范围内具有较强的光局域特性和传输特性,在光学器件的小型化、集成化方... 详细信息

随着信息技术的不断发展,人们对光电集成度的要求越来越高,然而衍射极限成为高密度的光电集成电路发展的瓶颈。混合型表面等离子体光波导能够突破衍射极限,在亚波长范围内具有较强的光局域特性和传输特性,在光学器件的小型化、集成化方面被广泛的应用与研究。本论文在结合多种混合表面等离子体光波导的性能研究基础上,设计了椭圆柱型混合表面等离子体波导,并用有限元仿真软件COMSOL进行了模拟分析,验证了其优异的传输特性。本文的研究成果和内容如下:1)分析和比较了该混合波导在不同比例和不同尺寸下的有效模式折射率、传输长度、模场面积和品质因数。基于波导的局域特性和传输长度之间的“交易”关系,我们对该波导结构进行了优化分析。在模场面积为?2/2702/27的范围内,传输长度达到了485 um,其传输损耗得到了有效降低。品质因数的变化曲线也印证了该混合波导在传播距离和模场面积两者之间有良好的“交易”关系。2)仿真了该混合波导在不同尺寸下的各种场分布图,并用耦合模理论对其进行了解释论证。该混合波导的优异性能与其他结构类型的波导进行了对比,其传输长度和模场面积都胜过其他的波导结构,两者之间的权衡性也很突出。除此之外,我们还和所引用的几篇文献进行了比较,在模场面积相差不大的情况下,本文研究的混合波导的传输长度比其他文献的长5000 um。3)在该混合波导上集成了一种定向耦合器,仿真分析了耦合器的奇偶模式图、耦合长度变化曲线和最大转移功率图。通过改变两并行波导间的距离实现了对该耦合器的耦合长度的优化,当d等于100 nm时,耦合长度是最短的,仅仅只有1.654 um。通过与其他波导结构上集成的定向耦合器比较,本文研究的定向耦合器的最大转移功率大于脊状纳米线和圆柱体结构上集成耦合器的。对应地,其耦合效率高于这两种结构集成的耦合器。

关键词：表面等离子体椭圆柱混合波导传输特性耦合效率

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金属纳米波导光学性质的研究

金属纳米波导光学性质的研究

作者：张璐北京邮电大学

学位级别：硕士

光电集成是科技发展的必然趋势,但是光子和电子回路的尺寸不是一个量级的,根本无法兼容。传统光学器件最小尺寸只能到微米量级,而电子器件已经可以达到纳米量级,所以纳米光学器件就成为一个改变历史的重要研究项目。这将决定着能否实现... 详细信息

光电集成是科技发展的必然趋势,但是光子和电子回路的尺寸不是一个量级的,根本无法兼容。传统光学器件最小尺寸只能到微米量级,而电子器件已经可以达到纳米量级,所以纳米光学器件就成为一个改变历史的重要研究项目。这将决定着能否实现光电集成的小型化、集成化,也就是纳米光电集成。表面等离激元可以把电磁能局域在一定区域范围内,具有很强的局域场增强效应,从而可以突破衍射极限,将光子器件的尺寸缩小到纳米量级,实现纳米光电集成,这将推进科技发展进入到崭新的时期。光波导是光子回路中非常重要的组成部分,也是光电集成的核心研究内容。本文主要对金属纳米光波导进行了模式分析,计算了传播距离、模式面积,并且分析了波导中的光学力等光学性质。第一章介绍了课题研究的相关背景、基本理论以及研究意义。第二章讨论了具有优良特性的混合波导结构,这种波导可以实现较长的传播距离,并且模式面积也较小,也就是电磁场的局域性很强,能量损失也较小。第三章是在混合波导的基础上提出了一种改进的混合波导模型。通过改变原来混合波导模型的几何结构,实现调控波导的光学性质;也探索了将这种波导结构应用到可调控的纳米光镊中。第四章提出了一系列金属纳米线加基底波导模型,并且进行了模式分析,计算了传播距离、模式面积以及波导中的光学力等光学性质。对于实现高精度、可调控、易操作的纳米光镊的构建提供一个有意义的理论模型。第五章是对课题研究的总结以及对未来研究的展望。

关键词：表面等离激元混合波导模式分析光学力光镊

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纳米光波导传输及其耦合特性研究

纳米光波导传输及其耦合特性研究

作者：吴德昌北京邮电大学

学位级别：硕士

表面等离激元可以把电磁能局域在一定区域范围内,具有很强的局域场增强效应,从而可以突破衍射极限,将光子器件的尺寸缩小到纳米量级,实现纳米光电集成,这将推进科技发展进入到崭新的时期。光波导是光子回路中非常重要的组成部分,也是光... 详细信息

表面等离激元可以把电磁能局域在一定区域范围内,具有很强的局域场增强效应,从而可以突破衍射极限,将光子器件的尺寸缩小到纳米量级,实现纳米光电集成,这将推进科技发展进入到崭新的时期。光波导是光子回路中非常重要的组成部分,也是光电集成的核心研究内容。本文主要对金属纳米光波导进行了模式分析,计算了传播距离、模式面积。第一章介绍了课题研究的相关背景、基本理论以及研究意义。第二章讨论了经典的混合波导结构,这种波导可以实现较长的传播距离,并且模式面积较小,也就是电磁场的局域性很强,能量损失较小。第三章是在混合波导的基础上提出了一种新型的双圆柱混合波导模型。通过改变原来混合波导模型的几何结构,实现调控波导的光学特性。第四章对新型混合波导做出了全面的理论分析。第五章则提出了新型的基于表面等离激元的光学滤波器,对其结果做出了分析。第六章是对课题研究的总结以及对未来研究的展望。

关键词：表面等离激元混合波导模式分析局域能力耦合

基于表面等离激元的亚波长传输和相位调制技术研究

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基于表面等离激元的亚波长传输和相位调制技术研究

作者：张倩西安电子科技大学

学位级别：硕士

硅基光电子学的发展为解决目前集成电路所面临的量子效应等问题提供了新方向。但由于衍射极限的存在,传统光电器件的尺寸难以缩小到与微电子器件相同量级的尺度范围内,这严重制约了光电器件集成度的提高。表面等离激元是沿着导体-介质... 详细信息

硅基光电子学的发展为解决目前集成电路所面临的量子效应等问题提供了新方向。但由于衍射极限的存在,传统光电器件的尺寸难以缩小到与微电子器件相同量级的尺度范围内,这严重制约了光电器件集成度的提高。表面等离激元是沿着导体-介质界面方向传播的倏逝电磁波,其可以突破衍射极限,将光波场紧密限制在金属表面,是实现具有亚波长限制光电器件的有效手段。石墨烯是具有诸多优异特性的新型低维材料,石墨烯表面等离激元相比金属表面等离激元具有低损耗、可调谐等优异特性。波导和调制器是硅基光电芯片中的核心器件,起着光互连和信号调制的重要作用。本论文主要研究了基于表面等离激元的具有深亚波长限制的混合等离子体波导和基于石墨烯表面等离激元的相位调制器。本文的主要工作有:(1)从硅基光子学研究的意义出发,论证了基于表面等离激元的混合波导和石墨烯调制器的研究意义,并对它们目前的发展现状进行了总结。(2)基于麦克斯韦方程组和电磁场边界条件,推导了半无限大空间中介质-金属界面的表面等离激元(SPP)色散关系。分析了金属的光频响应随入射光波长的变化规律。(3)为了解决目前混合波导中低传输长度、弱光场局域性的问题,在阐述混合波导相关概念的基础上,提出了一种新型的混合三棱柱等离子体波导结构。得益于独特的圆-三棱柱结构,该波导具有超紧凑光场模式,光场被紧密限制在纳米级的介质区域内。主要通过COMSOL软件仿真了波导的各个结构参数对其模式分布及传输特性的影响。通过结构优化,仿真结果显示在归一化模式面积小于0.012时,该波导传输长度可以达到290μm,说明其在具有深亚波长限制特性的同时保持了长传输距离。(4)基于久保公式,计算并分析了石墨烯费米能级、光电导的可调特性,推导了石墨烯表面等离激元色散方程。并以此为基础,结合平板电容模型、石墨烯SPP色散关系提出了基于石墨烯SPP的具有深亚波长限制能力的相位调制器模型。在太赫兹和近红外波段详细计算并分析了该调制器利用石墨烯SPP可调特性,通过改变外加偏压实现相位调制的机理。并通过COMSOL软件对该模型相位调制效果进行仿真。理论计算和仿真结果显示,该调制器在太赫兹和近红外宽频段范围内可以实现大角度相位变换,同时其调制功耗极低。

关键词：表面等离激元混合波导石墨烯相位调制

基于石墨烯表面等离激元与极化激元的传输特性的研究

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基于石墨烯表面等离激元与极化激元的传输特性的研究

作者：董璐西安电子科技大学

学位级别：硕士

当前,日新月异的光通信技术为光子集成器件的迅速发展创造了一个很好的契机。在微纳光子学方向中的深亚波长范围内有效控制光与物质的相互作用已经成为了人们研究的热点。入射光子和金属表面自由电子气之间的共振会激发表面等离子体激元... 详细信息

当前,日新月异的光通信技术为光子集成器件的迅速发展创造了一个很好的契机。在微纳光子学方向中的深亚波长范围内有效控制光与物质的相互作用已经成为了人们研究的热点。入射光子和金属表面自由电子气之间的共振会激发表面等离子体激元,它对光场分布具有强局域限制性,这有利于光传输器件的集成化和微型化的实现。石墨烯是一种新型光电二维材料,因为它有着独特的能带结构、电子输运特性以及能够同硅基半导体工艺相兼容,在学术研究和工业应用领域中受到了广泛的关注。石墨烯等离子体激元同传统的金属表面等离子体极化波相比,在从中红外到太赫兹波段范围内连续电学可调,并且具备本征损耗低和对光场限制能力强等优势。对于光学系统而言,光波导与光调制器又是非常重要的光子器件。因此本论文在研究混合波导的基础上,对基于石墨烯等离激元的调制器进行了详细探索。本论文的主要工作表现在以下几个方面:(1)通过大量查阅与石墨烯表面等离激元相关的国内外文献以及近年来的研究成果,首先对混合表面等离子体波导和石墨烯调制器的研究背景、现状与应用前景等给出了相应的分析和介绍。(2)结合麦克斯韦方程组和物质的本构方程,推导出金属与介质分界面表面等离子体极化波的激发机理和特性,同时还推导出了石墨烯等离激元光电导率随电场的调制作用和色散关系。并简单介绍了基于有限元方法的数值模拟软件COMSOL。(3)基于混合等离子体波导的原理和优势,阐述了衡量混合模式的特征参数:有效折射率、传输距离、有效模场面积等。对文中提出的新型混合圆管-三棱柱等离子体波导(HTTPWG)和柱状-槽形混合等离子体波导(HCSPWG)采用COMSOL分析了二维混合波导中的模场分布以及模式的传播长度、模式面积随着结构几何尺寸、材料属性等参数的变化关系,并优化了混合波导结构的各项参数。这些研究为第四章基于石墨烯等离激元调制器的探索奠定了基础。(4)本文还基于石墨烯独特的优点,介绍了几种应用比较广泛的单/双层石墨烯与波导结合的调制器结构,对比了它们性能参数。最后,重点对我们设计的基于双层石墨烯环形腔结构的光调制器以及基于石墨烯波导-槽型混合等离子体结构的光调制器进行了详细阐述。

关键词：石墨烯表面等离极化激元混合波导光电调制器调制深度模式面积耦合作用硅基光电

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纳米结构中表面等离激元的传输特性研究

纳米结构中表面等离激元的传输特性研究

作者：尹志宁北京邮电大学

学位级别：硕士

本文以纳米结构为研究对象,以表面等离激元的传播特性为研究目的,运用时域有限差分(FDTD)方法对其进行数值模拟。论文主要内容安排如下：第一章概述了表面等离子体光学和波导的研究现状。包括表面离子体的基本理论、研究现状等。第二章... 详细信息

本文以纳米结构为研究对象,以表面等离激元的传播特性为研究目的,运用时域有限差分(FDTD)方法对其进行数值模拟。论文主要内容安排如下：第一章概述了表面等离子体光学和波导的研究现状。包括表面离子体的基本理论、研究现状等。第二章介绍了FDTD算法的基本知识,包括时域有限差分方程、原理、计算精度和数值稳定性条件以及吸收边界条件等相关内容。第三章研究了纳米片波导。对于三层不对称结构的纳米片波导(Kretschmann结构),通过理论推导和仿真模拟相结合的方法,解释了界面处表面波振荡衰减的现象,并得出了“振荡是由两个界面处的表面等离子体波耦合引起”的结论。第四章研究了两种常见类型的波导。对金属纳米球阵列波导主要研究影响局域等离子体耦合的相关因素;对分束器波导,对比了三种不同的仿真方法,得到如下结论：平行介质波导间的倏逝波耦合方法只能实现近距离、小角度的分束器;金属表面等离子体波导只能实现对损耗要求不严格的分束器;利用光子晶体波导能够实现低损耗、大角度的分束器。第五章是混合波导(线和面的耦合)的初步尝试。首先分析了纯圆柱模式;接下来尝试分析了混合波导的模式面积与圆柱直径、间隙宽度、介电常数的依赖关系;最后是一些常见模式的理论分析。第六章是对未来工作的展望。

关键词：表面等离子体极化激元(SPPs) 时域有限差分(FDTD) 纳米片波导金属纳米球阵列分束器混合波导