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基于金属-介质-金属波导的表面等离激元功能器件研究

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基于金属-介质-金属波导的表面等离激元功能器件研究

作者：窦婉滢桂林电子科技大学

学位级别：硕士

表面等离激元（Surface Plasmon Polaritons,SPPs）是一种具有强局域特性和强传导特性的特殊电磁波。在光学研究中,金属/介质/金属（MIM）波导结构相比于介质/金属/介质（IMI）波导结构有更低的欧姆损耗和更强的传输能力,如今已经成为... 详细信息

表面等离激元（Surface Plasmon Polaritons,SPPs）是一种具有强局域特性和强传导特性的特殊电磁波。在光学研究中,金属/介质/金属（MIM）波导结构相比于介质/金属/介质（IMI）波导结构有更低的欧姆损耗和更强的传输能力,如今已经成为光学研究中的重要方向。基于等离子体激元波导滤波器件（Plasmon waveguide filter）是微纳米光学中最大的研究领域之一,在多领域里被大量的应用,而等离子体波导是一种能够传递特定信号的传输型线性结构,由于其具有卓越的局域特性和传输特性,因此能与滤波完美结合。本论文主要研究的是微纳光电子学中的MIM波导结构的传播特性,对其和光学滤波特性的结合的应用进行研究,通过控制波导的传输功能和谐振腔的局域功能,解决现阶段存在的MIM波导滤波器的传输能量损耗的问题。主要研究工作如下:1、提出了一种基于非对称圆形谐振腔MIM波导结构,通过该结构的圆形谐振腔加强SPPs的耦合作用,并基于此现象研究其滤波特性。通过非对称半圆腔MIM波导与非对称圆腔MIM波导两种结构进行对比得出:非对称圆形腔能够提高光的耦合效率并获得更高的阻带。2、根据非对称结构的方法,进一步提出了一种方形谐振腔耦合金属波导结构。对方形谐振腔与波导组成的纳米尺度系统的传输响应进行了数值分析并通过FDTD solutions软件进行仿真验证。通过研究方形谐振腔和圆环形谐振腔的对比,方形谐振腔有着更好的滤波特性和更高的品质因子。研究表明改变方形谐振腔的边长、折射率、谐振距离来改变滤波结构的传输响应,能降低其半波宽（FWHM）。此外,设计了一种非对称大小的方形谐振腔波导结构,可以实现双向开关特性。3、根据上述结构,提出了基于方形谐振腔耦合金属波导结构构建的全光等离子开关,可实现双向开关特性。通过优化结构参数后,可获得较好的光学开关特性,包括更高的传输效率和更低的阻带透射率。

关键词：微纳米光学表面等离激元金属-介质-金属波导谐振腔耦合滤波器

含支节金属-介质-金属型等离激元波导的传输线计算模型

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计算物理 2023年第4期40卷 473-481页

作者：关建飞陈陶南京邮电大学电子与光学工程学院柔性电子(未来技术)学院江苏南京210023

为了揭示含支节金属-介质-金属(MIM)型表面等离激元(SPPs)波导透射率谱线的形成机理,提升基于MIM波导支节结构的微纳光学器件结构设计与性能仿真的效率,利用MIM波导与微波传输线之间导模特征的相似性,基于菲涅耳反射公式提出MIM波导支... 详细信息

为了揭示含支节金属-介质-金属(MIM)型表面等离激元(SPPs)波导透射率谱线的形成机理,提升基于MIM波导支节结构的微纳光学器件结构设计与性能仿真的效率,利用MIM波导与微波传输线之间导模特征的相似性,基于菲涅耳反射公式提出MIM波导支节的修正传输线计算模型。该模型能够有效地计算SPP波在MIM波导支节末端反射产生的附加相位延迟,从而更加精确地计算MIM波导侧向连接的支节腔对主波导中SPPs模式透射率的调制作用。采用修正传输线模型计算MIM波导侧向耦合单、双支节腔的透射率谱曲线,并与有限元仿真结果进行对比。结果显示该修正解析模型与经典传输线模型相比,在预测透射率极小值波长位置方面拥有更高的精度;同时与数值仿真过程相比,该模型又具有更高的计算效率。

关键词：表面等离激元金属-介质-金属波导支节谐振腔传输线模型

三椭圆谐振腔耦合波导中可调谐双重等离子体诱导透明效应的理论分析

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物理学报 2022年第24期71卷 338-349页

作者：谷馨张惠芳李明雨陈俊雅何英上海大学物理系上海200444

研究了三椭圆谐振腔耦合波导中可调谐双重等离子体诱导透明效应.三椭圆谐振腔耦合波导结构由1个亮模和2个暗模或1个暗模和2个亮模组成,类比于原子系统的四能级结构.为了获得较理想的双重等离子体诱导透明窗口,利用有限元法数值分析了多... 详细信息

研究了三椭圆谐振腔耦合波导中可调谐双重等离子体诱导透明效应.三椭圆谐振腔耦合波导结构由1个亮模和2个暗模或1个暗模和2个亮模组成,类比于原子系统的四能级结构.为了获得较理想的双重等离子体诱导透明窗口,利用有限元法数值分析了多种三椭圆谐振腔耦合波导结构的光学透射特性.针对较佳的三椭圆谐振腔波导结构,分别讨论波导结构参数(如椭圆腔长轴半径、底部椭圆腔与主波导间耦合距离、椭圆腔间耦合距离、对称破缺度,以及椭圆腔填充材料有效折射率)对双重等离子体诱导透明效应的影响.多重透明窗口的数值模拟结果为等离子体诱导透明在等离子体开关及传感器方面的潜在应用提供理论基础.

关键词：表面等离极化激元等离子体诱导透明金属-介质-金属波导

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耦合谐振系统中基于Fano共振的光学压力传感器

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物理学报 2024年第8期73卷 131-137页

作者：陈召马昕新李童王艺霖北京化工大学数理学院北京100029 山西大学光电研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室太原030006

光学压力传感器在微小形变检测、环境监测以及医学领域等方面具有非常重要的作用.然而,外加压力与谐振腔形变前后的光学响应之间的定量关系很难获得.本文提出了一种基于金属-介质-金属波导的耦合谐振腔系统用于实现光学压力传感器.利用... 详细信息

光学压力传感器在微小形变检测、环境监测以及医学领域等方面具有非常重要的作用.然而,外加压力与谐振腔形变前后的光学响应之间的定量关系很难获得.本文提出了一种基于金属-介质-金属波导的耦合谐振腔系统用于实现光学压力传感器.利用有限元方法对该系统的力学特性以及受力前后的光学传输特性进行详细分析.仿真结果显示谐振腔的最大形变量与所施压力呈简单的线性关系.给出了光学压力传感器灵敏度的直接定义,并基于条形腔与槽形腔耦合产生的Fano共振现象,获得了灵敏度为6.75 nm/MPa的光学压力传感器件.除此之外,添加了stub谐振腔,获得了双Fano共振现象,且随着外部压力的变化,两个Fano线型表现出不同的变化规律;特别地,合适的压力数值可使得双Fano共振变成单Fano共振.该结构的特点适用于不同压力下的光学性质变化检测、化学高压实验测量和化学反应动力学过程的研究.

关键词：表面等离激元金属-介质-金属波导光学压力传感器 Fano 共振

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双Loop-Stub侧边耦合波导结构多重等离激元诱导透明效应的数值分析

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光学学报 2022年第10期42卷 227-237页

作者：谷馨张惠芳蒋智帆陈俊雅何英王燕上海大学理学院上海200444

研究同侧、异侧和反对称双loop-stub(LS)谐振腔侧边耦合波导结构中的多重类电磁诱导透明效应,并利用有限元方法分别对这三种结构的光学透射特性进行数值模拟。结果表明,这三种结构的透射谱、磁场分布和色散强烈地依赖结构参数。着重讨论... 详细信息

研究同侧、异侧和反对称双loop-stub(LS)谐振腔侧边耦合波导结构中的多重类电磁诱导透明效应,并利用有限元方法分别对这三种结构的光学透射特性进行数值模拟。结果表明,这三种结构的透射谱、磁场分布和色散强烈地依赖结构参数。着重讨论双LS谐振腔相邻两个stub腔的距离或两个水平分支的距离对透射特性的影响。随着距离的减小,两个LS腔之间的耦合增强,出现多个透射峰和透射谷(即阻带),多重类电磁诱导透明效应显著。此外,讨论了同侧双LS腔波导结构相邻两个stub腔的距离为零时,竖直分支宽度、水平分支宽度、总水平分支长度等参数对透射谱的影响。侧边耦合金属纳米波导结构在未来的集成光学有潜在的应用价值,如滤波器、传感器和慢光装置等。

关键词：光学器件表面等离激元电磁诱导透明金属-介质-金属波导有限元法

基于多圆环谐振腔MIM波导多路分频特性（英文）

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光子学报 2016年第4期45卷 1-6页

作者：王柳曾亚萍桂林理工大学理学院广西桂林541004

在可见光到近红外频段,利用时域有限差分数值模拟计算方法,研究了一种多圆环形金属-介质-金属等离子体波导结构的电磁传输特性.结果表明,由于谐振作用,不同波长电磁波能量被分别束缚于圆环中,之后被耦合到各出口端进行传输,从而实现了... 详细信息

在可见光到近红外频段,利用时域有限差分数值模拟计算方法,研究了一种多圆环形金属-介质-金属等离子体波导结构的电磁传输特性.结果表明,由于谐振作用,不同波长电磁波能量被分别束缚于圆环中,之后被耦合到各出口端进行传输,从而实现了电磁波的多路分频传输功能.圆环的共振波长与圆环半径之间存在近似线性关系,且随着圆环内填充介质折射率的增大呈现明显的红移现象;各出口端共振波长对应电磁能量的传输率随着介质波导与圆环间耦合厚度的增大而急剧降低.利用电磁波共振理论阐述了电磁能量的谐振束缚现象,与数值模拟结果吻合.研究结果可应用于未来光子集成器件中.

关键词：金属-介质-金属波导多路分频传输时域有限差分方法光学器件

基于单挡板的MDM波导侧向耦合谐振腔的Fano共振及传感特性

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光子学报 2023年第10期52卷 170-180页

作者：刘加堂李石磊齐雅楠陈帅山东理工大学物理与光电工程学院淄博255049

基于表面等离激元提出了一种含金属挡板的波导侧向耦合谐振腔系统。当入射光从波导的入射端进入到该结构时,谐振腔会形成较窄的离散带,金属挡板会产生较宽的连续态,较窄的离散态与较宽的连续态发生干涉时,形成两种不同模式的Fano共振谱... 详细信息

基于表面等离激元提出了一种含金属挡板的波导侧向耦合谐振腔系统。当入射光从波导的入射端进入到该结构时,谐振腔会形成较窄的离散带,金属挡板会产生较宽的连续态,较窄的离散态与较宽的连续态发生干涉时,形成两种不同模式的Fano共振谱线。采用时域有限差分法对该结构的传输特性进行了仿真计算,分别研究了结构的磁场分布、电场分布、透射特性和传感性能,根据磁场分布图和电场分布图可更好地解释Fano共振的形成机理。仿真数据分析结果表明,几何参数与介质折射率可以调节结构的传输性能。最后对结构的几何参数进行了优化处理,得到了在最优参数下,该结构产生的两个Fano共振的品质因数分别为4.502×105和1.967×105,对应的灵敏度分别为800 nm/RIU和1400 nm/RIU,均达到了较高的数值,具有良好的传感性能。所设计的耦合结构可为提高微纳光学传感器的性能提供一种可行的途径。

关键词：表面等离激元金属-介质-金属波导 Fano共振品质因数灵敏度

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耦合半圆环谐振空腔的双重Fano共振特性

激光与光电子学进展 2020年第13期57卷 180-187页

作者：赵亚萍张冠茂任盼盼郭志浩兰州大学信息科学与工程学院光电子与电磁信息研究所甘肃兰州730000

基于表面等离激元提出一种由半圆环谐振空腔、挡板及直波导构成的金属-介质-金属波导结构。当入射光波进入该波导结构时,半圆环谐振腔形成两个较窄的离散态与金属挡板形成较宽的连续态发生干涉效应,并形成两个尖锐非对称的共振谱,即两... 详细信息

基于表面等离激元提出一种由半圆环谐振空腔、挡板及直波导构成的金属-介质-金属波导结构。当入射光波进入该波导结构时,半圆环谐振腔形成两个较窄的离散态与金属挡板形成较宽的连续态发生干涉效应,并形成两个尖锐非对称的共振谱,即两种模式的Fano共振。运用耦合模式理论和有限元分析方法对结构的传输谱特性进行数值仿真分析,研究结构参数和介质折射率参数对传输品质因数和敏感度特性的影响。通过对结构参数进行优化分析,发现可通过改变结构参数对系统的性能进行灵活的调节和优化,并得到两个模式下的品质因数分别为3.05×10^5和4.59×10^5,对应的灵敏度分别为800 nm/RIU和1160 nm/RIU(RIU为折射率单元)。这种灵活的双重Fano共振结构在纳米生物传感器、非线性光学和慢光研究中具有一定的应用价值。

关键词：集成光学金属-介质-金属波导 Fano共振半圆环共振腔品质因数传感器表面等离激元

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亚波长圆环形分解复用器谐振模分离研究

激光与光电子学进展 2016年第4期53卷 201-205页

作者：王柳曾亚萍桂林理工大学理学院广西桂林541004

设计了一种亚波长圆环形三通道金属-介质-金属(MIM)波导分解复用器。利用时域有限差分(FDTD)法,在可见光到近红外频段研究了该结构的电磁传输特性,发现满足谐振条件的电磁波可以在圆环中发生多级谐振现象。通过优化出口通道在圆环上的位... 详细信息

设计了一种亚波长圆环形三通道金属-介质-金属(MIM)波导分解复用器。利用时域有限差分(FDTD)法,在可见光到近红外频段研究了该结构的电磁传输特性,发现满足谐振条件的电磁波可以在圆环中发生多级谐振现象。通过优化出口通道在圆环上的位置,成功实现了圆环二、三、四级谐振模式的分离功能。此外,圆环的谐振波长可以通过设置圆环的半径进行调制。该微结构对光波具有束缚与传输功能,解决了光信号谐振模式分离传输问题,在光集成与通信等方面有较好的应用前景。

关键词：光学器件亚波长结构金属-介质-金属波导分解复用器谐振模时域有限差分法