基于并行FDTD方法分析表面等离子波导的特性

设计了一种双L形表面等离子体矩形环谐振器波导,采用并行时域有限差分方法,对这种波导的传输特性随几何结构参数的依赖关系进行了分析.计算结果表明通过改变输入/输出光波导的结构参数,可以调节该波导的消光比和频率选择特性.该波导结构能够有效地抑制后向辐射干扰并且大幅度地提高其场消光比,这使得此类谐振器结构更具有功能性.

数值模拟二维间隙表面等离子波导传输特性

利用表面等离子激元的新颖特性,设计了二维间隙表面等离子波导.以这种结构为基础通过变形和组合形成90°直角弯曲波导、T型光功率分配器和光开光,采用时域有限差分法研究了它们的传输特性.结果表明:不同于介质光波导的弯曲损耗来自于辐射泄漏,90°直角弯曲间隙表面等离子波导的能量损耗主要来自于金属中的欧姆热损耗.在间隙达到40nm以上后,当直行段的长度适当时,弯曲段的透射率较相同长度的直波导的透射率要大.T型光功率分配器在两输出波导的间隙宽度比达到0.6及以上时,不同于传统介质波导的分光原则,能量主要沿等效折射率较小的输出臂流出.当两输入光的相位反相时,T型光开关处于输出截止的状态,当两输入光的相位同相时,T型光开关处于输出导通的状态.所有波导间隙均小于衍射极限,实现了超衍射极限传播,可用于未来了超大规模集成光路中.

表面等离子波导及应用

本文在介绍表面等离子波导基本理论的基础上,主要对表面等离子波导的若干应用进行综述,包括基于表面等离子波导实现的光学和微波频段的慢波效应、类电磁感应透明现象、可调滤波器,以及通过对电磁波绕射而实现的隐身效应等。最后指出该领域存在的问题与挑战,并对今后的发展趋势进行了展望。分析认为,通过引入增益介质、采用超导材料等方法降低表面等离子波导材料的损耗、减少工艺制作的难度是今后亟待解决的问题。

太赫量子级联激光器的表面等离子波导的色散分析

对非对称的双面金属结构的放大区的色散损耗关系基于D rude模型和麦克斯韦方程进行数学推导,其后的PhotonD esign仿真证实了理论推导的正确性;并结合等效系数法首次将该推导过程应用于对基本脊型波导的色散及模的分析,为今后研究复杂脊型波导结构提供了理论依据。

表面等离子波导系统中基于远场耦合的可控单向无反射

设计了一个由两个共振器与一个表面等离子波导边耦合的系统,并通过施加外部电压研究了该系统的单向无反射现象.研究结果表明:当外部电压U=2.75V(9.47V)时,正向反射率接近0(0.58),反向反射率接近0.71(0);该系统可以在较宽的电压范围、共振器的间距范围、共振器A与表面等离子波导的间隙范围和共振器B的长度范围内实现单向无反射现象.该研究结果可为研发光二极管、电光开关、滤波器、传感器等元件提供理论参考.

基于半导体纳米线和金属脊的混合表面等离子体波导模式特性分析

设计了由半导体纳米线和半圆顶金属脊组成的混合表面等离子体波导.通过有限元法对这种波导所支持混合模式的深亚波长局域、传播损耗等特性进行了数值计算.结果表明,在工作波长为1.55μm的情况下,混合模式的最小模面积仅为0.001 81(λ2/4),同时保持20μm的传播距离;与同类结构波导相比具有模场面积小,光传播距离远等优点,在光子集成元器件及光子集成电路等领域具有潜在应用价值.

介质加载型混合表面等离子体波导的损耗特性

为实现长距离传输及亚波长尺度的模式限制,在传统介质加载型表面等离子结构的基础上,设计了一种微孔介质加载混合表面等离子体波导,采用时域有限差分法(FDTD)对该波导模式场分布及传输特性进行了相应的研究。研究表明所设计的波导结构具有较强的局域场限制,通过在孔内填充增益介质,使混合等离子体波导的传输损耗得到了补偿,输出端的表面等离子激元实现了增益放大。结果表明,通过调整波导的几何参数和电磁参数,可以显著提高波导的场限制,降低波导本身的损耗,其中当孔与金属之间距离为44 nm时,波导的损耗达最小约为-13 d B/μm。这一设计可以为光子器件集成提供一定的理论和实验借鉴价值。

一种硅基金属狭缝表面等离子体波导的设计

设计了一种适用于光电子集成电路的表面等离子体波导结构.利用三维全矢量时域有限差分法对该波导结构进行了数值模拟,并分析了其在基模传输时的模式场分布与金属结构顶角的关系以及其能量限制性.研究了该波导结构在不同金属材料下的有效折射率和传播长度对芯层宽度的依赖关系,讨论了两个该波导结构之间的耦合长度、最大转移功率和彼此间的串扰.结果表明:光场被高度限制在芯层区域,在金属结构顶角为135°时,其能量限制因子更高;在金属材料确定的情况下,有效折射率随芯层宽度增大而减小,而传播长度增大;在芯层宽度一定的条件下,两个波导结构间的耦合长度随波导间距增大而增大,最大转移功率和串扰随波导间距增大而减小.

基于级联T型表面等离子体波导的双色分束器(英文)

第一次在理论上提出了级联的金属-电介质-金属波导结构。此结构由一个一级T型表面等离子体波导和两个二级T型表面等离子体波导组成。利用来自二级T型表面等离子体波导的波导模式之间的干涉,表面等离子体可以沿着一只输出臂传播。在设计的参数下,波长为1 310和1 550 nm的表面等离子体模式可以分别沿着方向相反的输出臂传播,从而实现双色分束。利用有限时域差分法数值模拟电磁场的稳态分布,从而验证了本研究的理论设计。

非线性介质的表面等离子体波导设计和优化

设计了一种基于非线性介质Si-NC/SiO2的混合表面等离子体波导,利用有限元方法定量分析了这种波导所支持基模的能流密度分布、有效折射率、传播长度和有效面积与几何结构参数以及非线性介质的依赖关系.分析结果表明,光场主要被限制在非线性区域,通过调节非线性层的厚度以及非线性比例因子,可以实现模式的有效折射率和传播长度等传输特性参数的调节.固定非线性介质比例因子,有效折射率和传播距离随非线性层厚度增加而增大;固定波导尺寸,有效折射率随比例因子增大而增大,传播距离和有效面积较小.最后,根据分析结果对非线性效应进行优化,优化后波导最优结构尺寸为波导宽度为250nm,非线性材料层厚度为100nm,硅层厚度为150nm.

金属脊-三角形半导体型混合表面等离子体波导

提出了一种新颖的基于金属脊-三角形半导体的混合表面等离子体波导结构,基于有限元法对该波导结构进行了数值仿真和分析.主要研究了该结构的电场分布、传输长度、归一化模场面积和质量因数.结果表明:在工作波长为1 550 nm时,通过优化参数,其有效模场面积达到0.00193 λ~2,传输长度为37.7μm,质量因数为4853,该结构具有较低的损耗.与金属平板混合波导结构相比,具有更大的质量因数,更强的光场限制能力,波导的综合性能更好.这种波导结构在微纳米光子学、光电子通讯和光信息存储等领域具有广阔应用前景.

集成波导型表面等离子体共振传感芯片及其理论分析

集成波导型表面等离子体共振传感芯片是表面等离子体共振传感技术和微电子制造技术相结合的产物。介绍了集成表面等离子体共振传感芯片的工作机理和基本结构,并通过基于传统波导模式的分析法结合表面等离子体波的色散方程,发展出简单实用的波导表面等离子体共振分析方法。利用该方法对波导型表面等离子体共振传感芯片的工作状态进行了理论建模,给出了各特性参数之间的关系。这证明该方法是分析等离子体共振传感芯片优化的有力工具。

非均匀间隙的混合表面等离子体波导光栅

为进一步改进混合表面等离子体波导的性能,设计了一种具有非均匀间隙的混合表面等离子体波导结构,该新型混合表面等离子体波导同时具有介质波导低损耗和表面等离子体波导对场强约束的特性。在该混合波导的基础上,设计了均匀布拉格光栅和相移布拉格光栅。研究结果表明,基于混合表面等离子体波导的均匀光栅,能够实现对模场的强束缚,可用于宽带滤波,可实现中心波长1 550nm处60%的反射率;基于混合表面等离子体波导的相移光栅可用于透射式窄带滤波,光栅周期数越大,透射峰越窄。

纳米金属肋混合表面等离子体波导模式特性分析

基于传统混合表面等离子体波导,提出了一种半导体纳米线和纳米金属肋混合的表面等离子体波导.采用有限元法对其模式特性进行了数值模拟,研究了该波导的有效折射率、传播损耗、归一化模场面积等特性随波导几何尺寸的变化规律,分析了该混合波导的增益阈值.结果表明:该波导具有较低的传播损耗和较强的光场限制能力,并且混合模式的最小模面积仅为0.001 52μm2.

蝴蝶形中空表面等离子体波导的传输特性

本文设计了一种蝴蝶形中空表面等离子体波导,并对其传输特性进行了研究。采用频域有限差分法,对这种波导所支持的基模的能流密度分布、有效折射率、传播长度和模式面积随几何参数和工作波长的变化关系进行了分析。结果表明:沿纵向的能流主要分布在由四个圆洞所构成的上下两个尖角之间的区域,且越接近尖角,沿纵向的能流越大。对中空圆洞的半径、上下两排圆洞圆心间横向距离和左右两列圆洞圆心间的纵向距离进行调节,模式的有效折射率、传播长度和模式面积也随之变化。在工作波长确定的条件下,相对于b=r/4的情况来说,当b=r/2时,上下两个尖角之间的距离较大,场与金属的相互作用较弱,有效折射率就较大,传播长度也较大。在几何参数确定的条件下,相对于λ=7 0 5.0 nm的情形来说,在λ较大时,场的分布范围较大,场与金属表面的接触面积较大,场与金属的相互作用较弱,有效折射率较小,传播距离较长。与由两个和三个空心圆柱构成芯区的表面等离子体波导相比较,蝴蝶形中空表面等离子体波导具有良好的传输特性。如果在波导结构中心填充增益介质,可以克服较大的传播损耗,因此这种蝴蝶形中空表面等离子体波导可以用于光子器件集成领域和传感器领域。

金属椭圆表面等离子体波导传输特性研究

设计了一种高折射率基底的椭圆表面等离子体波导,基于有限元法对此波导支持的基模的能流密度分布、有效折射率、传播长度、有效面积与几何参数、结构之间的关系进行了分析.能流密度分布表明能量主要集中分布在两个金属椭圆柱之间的中心区域,在金属与锗基底、基底与基底之间也存在能量.通过调节两个椭圆的中心距离及其两个半轴的大小,可以实现此波导模式传输特性的分析。工作波长确定时有效折射率随中心距的增大而减小,而传播长度增大。

表面等离子体激元波导测量材料的折射率

利用表面等离子体激元不仅可以实现在纳米尺度上操控光子,而且为发展更加微型化、集成化的光波导等光学元器件提供了有利条件.如果表面等离子体激元波导金属薄膜一侧材料的折射率已知,那么利用表面等离子体激元的场增强效应就可以对另一侧材料的折射率进行高灵敏度的探测.作者利用Mathematica软件对表面等离子体激元波导如何测量衬底一侧材料的折射率进行了模拟,得到了物质折射率与模场分布和反射谱峰值之间的关系,为理解表面等离子体激元波导的测量机理提供了思路.

一种混合型石墨烯表面等离子体波导

针对光学元件存在体积大、带宽窄和损耗大的问题,提出一种适用于光电子集成电路的石墨烯波导结构。利用表面等离子体构成的波导结构能够突破衍射极限,可将光限制在亚波长范围内进行操控。同时石墨烯化学势的改变会影响波导的传输性能,实现波导的可调性,而不需要调整波导的几何形状。数值仿真表明,在工作波长1.55μm和化学势0.8eV情况下,基模的最小模式面积仅为0.003 4μm2,传播长度达到66.5μm。这种波导在纳米光子器件领域具有巨大的潜力。

基于等离子波导的表面增强拉曼芯片仿真分析

本文设计了一种基于长程等离子波导的表面增强拉曼光流体芯片,利用介质波导激发等离子波导的耦合结构减小传输损耗,增加传输距离,以实现拉曼信号的长程探测。在632.8 nm的激发光入射下,以金(Au)作为等离子波导芯层材料,PTFE做为介质光波导芯层材料,经仿真分析发现:介质光波导宽度为4 m、厚度为0.2 m,等离子体波导宽度为4.5 m、厚度为13 nm,两波导间距D为3.1 m时,耦合效果最好,场强大小约1.8024×10^(8),传输距离约0.3 mm,是单独使用等离子波导传输距离的两倍。该研究为实现表面增强拉曼微流体芯片长程探测提供了理论依据。

改进型混合表面等离子体微腔激光器的研究

设计了一种拥有增益介质脊和空气间隙的改进型混合表面等离子体微腔激光器,并在微腔的两端面镀一层50 nm厚的银反射镜,有效地提高了纳米激光器的性能.基于COMSOL Multiphysics软件分别构建二维截面和三维立体模型,在1550 nm的工作波长下对该改进型结构的传输性能以及微腔性能进行分析.结果表明:该激光器具有显著的亚波长限制能力和很大的传输距离,最长距离可以达到1.29 mm.测试该激光器的微腔性能时,通过调整结构参数获得了高质量因子、低增益阈值以及深亚波长下的超小有效模式体积0.001092μm^3和超高的Purcell因子8.29×10~5.与先前结构对比,在结构参数统一时,所设计的结构具有更低的激光激射阈值和更强的微腔局域能力.所设计的改进型混合表面等离子体微腔激光器可以作为各种光子器件的基本构建模块,并可应用于传感、纳米聚焦和纳米激光等领域.