帶有增益介質(zhì)的混合表面等離子體波導(dǎo)的設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、隨著集成光學(xué)的迅速發(fā)展，表面等離子體因其獨(dú)特的性質(zhì)和廣闊的應(yīng)用前景成為學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。表面等離子體激元(SPPs)是外界電磁場(chǎng)與金屬表面自由電子相互作用而形成的一種強(qiáng)烈束縛在金屬-介質(zhì)界面上的電磁表面波，具有高度局域化和近場(chǎng)增強(qiáng)的特性?；赟PPs的表面等離子體波導(dǎo)能突破傳統(tǒng)光波導(dǎo)的衍射極限，實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)尺寸的光限制和傳輸，從而促進(jìn)光子器件的微型化、高度集成化。在眾多類(lèi)型的表面等離子體波導(dǎo)中，混合表面等離子體波導(dǎo)體現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，兼具

2、較強(qiáng)的光場(chǎng)限制能力和較低的傳輸損耗。本文將增益介質(zhì)引入混合表面等離子體波導(dǎo)中，設(shè)計(jì)了兩種不同的新型混合表面等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并利用有限元法對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)的特性進(jìn)行了深入研究，為表面等離子體納米激光器等新一代微納光子集成器件的研制提供了一定的理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)思路。
　　本文的主要工作如下：
　　(1)在表面等離子體的發(fā)展?fàn)顩r和應(yīng)用前景下，介紹了表面等離子體和表面等離子體波導(dǎo)的基本理論，重點(diǎn)分析了混合表面等離子體波導(dǎo)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，并

3、闡述了光波導(dǎo)材料和數(shù)值計(jì)算方法——有限元法，為后續(xù)新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研究提供了理論基礎(chǔ)。
　　(2)設(shè)計(jì)了一種帶有增益介質(zhì)的基于圓柱形納米線的混合表面等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，利用有限元法在可見(jiàn)光波長(zhǎng)下研究了該波導(dǎo)基模的電場(chǎng)分布及幾何參數(shù)對(duì)模式特性的影響，并計(jì)算了基于該混合波導(dǎo)的納米激光器的增益閾值。結(jié)果表明：該結(jié)構(gòu)具有深亞波長(zhǎng)約束下的低損耗特性。通過(guò)優(yōu)化幾何參數(shù)，在保持超深亞波長(zhǎng)的場(chǎng)限制能力的同時(shí)得到最低的增益閾值。該結(jié)構(gòu)與同類(lèi)耦合雙

4、納米線結(jié)構(gòu)相比在相同的幾何參數(shù)下具有更低的閾值。
　　(3)設(shè)計(jì)了一種帶有增益介質(zhì)的金屬-半導(dǎo)體雙肋型混合表面等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，利用有限元法仿真模擬了該波導(dǎo)在紅外波長(zhǎng)下基模的電場(chǎng)分布，分析了模式特性和增益閾值隨幾何參數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明：該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)光場(chǎng)的超深亞波長(zhǎng)約束且具有較低的傳播損耗和增益閾值。通過(guò)優(yōu)化其幾何參數(shù)，波導(dǎo)的特性達(dá)到最佳。與先前報(bào)道的金屬碟型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相比，在相同的幾何參數(shù)下該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了更強(qiáng)光場(chǎng)限制的同時(shí)進(jìn)一步