基于人工表面等离子激元的宽带谐振天线

针对传统微带和介质谐振天线(DRA)带宽较窄和尺寸较大的问题,提出了一种基于人工表面等离子激元波导谐振腔的宽带天线。该天线人工表面等离子激元(SSPPs)波导由对称的H型单元结构组成,谐振腔由同轴探针馈电,利用波导单元偶模和奇模两种模式的色散特性,实现了天线带宽的显著增大。该天线工作频段为8.8~12.4 GHz,相对带宽为33.9%。在工作频带内,天线的辐射效率大于92%,最大增益达到了6.8 dBi。此外,天线为低剖面结构,整体尺寸较小,结构简单,利于各种无线通信和传感系统的集成。

基于表面等离子激元的多通道滤波器设计

设计了一种由一个槽型腔和两个波导耦合构建的金属-介质-金属(MDM)滤波器,并利用时域有限差分法对该结构进行了仿真研究,分析了主要结构参数对滤波器传输特性的影响。研究发现:纵向位移L_(d)对传输特性有重要影响,会导致新的谐振峰出现;在一定范围内,槽腔宽度W_(c)的增加使得透射峰增加并且更均匀地分布在600~1500 nm范围内。通过参数优化最终设计了分布于550、730、920、1330 nm波段窗口附近的多通道滤波器,该设计透射峰窄、品质因子良好,且结构简单、易于集成、制作方便,能够很好地运用在波分复用系统及光通信中。

周期条状结构中长程表面等离子激元噪声特性分析(英文)

基于表面等离子激元自发辐射放大噪声系数理论,研究了长程表面等离子激元噪声系数变化规律,设计了嵌有金属条的长程表面等离子结构.数值模拟得到表面等离子及周期条状长程表面等离子的噪声系数变化规律.给出入射波长从0.5μm到1.75μm,每隔0.25μm的噪声特性,发现随着波长的增加噪声系数趋近于常数.仿真结果表明:表面等离子及长程表面等离子自发辐射放大的噪声系数随着增益介质增大而明显增强;周期条状长程表面等离子结构中,随着金属膜厚度以及金属条高度及个数增加导致噪声系数增加,其中金属膜厚度对于其作用较明显.

表面等离子激元脉冲整流产生太赫兹电动势

为了深入地研究表面等离子（Surface Plasmon,SP）在传播方向上的太赫兹（THz）电动势,采用了在纳米线结构上对表面等离子激元（Surface Plasmon Polariton,SPP）的脉冲中电子进行整流的方法,分析了SP感应引力的整流作用,讨论了SPP横向模式在长脉冲和短脉冲情况下的电动势模型。研究结果表明,脉冲整流会产生一个幅值较大的电动势,该电动势可达10 V。由于受纳米等离子的限制,在放大过程几乎是非共振的,考虑强纳米等离子限制和纵向SPP波局域条件下,整流作用在金属表面会产生更高的局域THz电场ER,其最大强度EmR=105~106V/cm。整流后SPP脉冲表现为快速,THz场频率,带宽5~20 THz的特性。SPP脉冲中THz电动势的分析对纳米级飞秒光学场的探测,半导体设备的纳米等离子激元耦合,以及非线性THz光谱研究都具有重要意义。

基于表面等离子激元的双金属光栅结构提高LED光提取效率的研究

为了提高GaN基LED的光提取效率,构建了一种在金属银膜上下表面分别刻蚀光栅结构的双光栅LED模型。利用时域有限差分法(FDTD)进行数值模拟,比较了无银膜、无光栅、单光栅、双光栅模型下LED的光提取效率。结果表明:在光栅周期为300 nm,占空比为0.23,银膜厚度为30 nm,光源深度为150 nm时,光提取效率较单光栅结构提高了6倍,较无光栅结构提高了16倍。

基于表面等离子激元的口径耦合多功能非对称半圆腔滤波器设计

采用口径耦合的方法构造了一种金属-介质-金属非对称结构滤波器,由两个半圆腔通过两个矩形口径与波导管相连形成.运用有限元法仿真计算获得了该结构的磁场、透射谱、带宽及边沿陡峭度分布曲线.研究结果表明,通过调节结构参数,滤波器的透射曲线出现明显的红移或蓝移现象,且曲线分布平滑,其通带透射比高达0.95,阻带则具有平坦特性且透射比低至0.001,通带、阻带均具有较宽的带宽.对滤波器进行结构参数优化,可以实现类似矩形滤波器的特性,在光通信波段的三个通信窗口能够实现通道选择的滤波功能.该滤波器在微纳光学器件集成尤其是光通信系统中有良好的应用前景.

基于厚金属狭缝阵列的表面等离子激元光刻

提出一种利用厚金属狭缝阵列耦合激发表面等离子激元制作非周期图形的纳米光刻模型.采用时域有限差分电磁场模拟仿真软件研究了厚金属狭缝阵列中表面等离子激元的激发、模式选择以及光刻胶中的光场分布.结果表明,通过优化厚金属狭缝阵列结构参量和匹配介质参量可有效抑制表面等离子激元在光栅狭缝出口处的发散,增加表面等离子激元的穿透深度,可获得高分辨率的较大曝光深度的周期和非周期纳米图形,可为纳米激光直写技术提供有益的借鉴.

微结构光纤表面等离子激元共振传感器的研究

基于光纤结构的表面等离子激元共振(surface plasmon resonance,SPR)传感技术是近年来光纤传感领域的研究热点.论述了SPR传感器的工作原理、调制方式和光纤SPR传感器的理论,介绍了本课题组在该领域的研究进展,包括利用光纤和毛细管SPR传感器、图像式光纤SPR传感器、多通道光纤阵列SPR传感器、自补偿SPR传感器、智能手机SPR传感器及啁啾倾斜光纤光栅SPR传感器等,总结了基于光纤微结构的SPR传感器的研究现状,分析了需要解决的问题,并对未来的发展趋势.

基于传输矩阵法的表面等离子激元特性分析

针对目前研究表面等离子体波所用电磁场仿真软件的非简便性与非直观性,提出了适用于Matlab等通用计算环境的传输矩阵法。该方法基于电磁场基本理论出发,从两个紧邻层面上的电场和磁场出发,得到传输矩阵,并将单层结论推广到整个介质空间。利用该传输矩阵法,模拟了棱镜-金属膜-感光介质三层结构激发表面等离子激元(SPP)的情况,分析表面等离子的频率与入射光线的角度关系,其计算结果与Shoji Maruo等基于理论推导与实验测量的结果相吻合。同时利用传输矩阵法,分析得出了材料折射率和薄膜厚度等因素对反射光线强度,即能量耦合效果的影响规律。

基于表面等离子激元的亚波长器件研究

基于不同金属材料表面等离子激元耦合激发的传播深度和传播距离,提出选择器件材料的标准,其中银表现出最佳的特性.以入射波长为1050nm的p偏振光为例,利用时域有限差分方法,模拟了p偏振光高斯光束入射到金属银亚波长狭缝与光栅结构的传播特性,证明这种结构具有透射增强及定向耦合输出功能.入射面光栅对输出光的主要贡献是透射增强,出射面光栅主要对输出光的远场分布特性产生影响,光栅凹槽数目和深度对透射增强作用具有最佳化参数,透射强度与亚波长狭缝深度之间的关系呈周期性变化特性.

表面等离子激元净放大的结构设计与理论分析（英文）

连续波发生器的SPASER（Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation）相当于净放大等于零,不能作为放大器使用,文中采用改进的MIM波导结构实现SPASER作为放大器可能性。利用汉密尔顿函数的理论模型得到了放大器激射条件,数值计算表明：采用改进的MIM波导结构实现解决SPASER的内反馈问题和消除SP的净增益问题是可行的;改进结构在不到100 fs的时间里实现了SP激子数的稳定水平;改进SPASER放大器响应时间为100 fs,带宽为1.5～2 THz,SP的放大增益在30～60 dB范围。上述研究成果将为大规模集成光子学芯片设计提供了理论和技术基础。

Otto结构加载MIM波导的表面等离子激元传输与衰减特性

设计了加载MIM波导的Otto结构研究SPPs的传输和衰减特性,应用球面EM场的解法求解了整个介质区域的本征函数的特征值。对SiO2厚度分别为750 nm和1 500 nm的设计结构进行了仿真,结果表明:750nm改进结构的TM0传播常数达到了1.541,衰减系数仅仅为2.80;随着SiO2层介质厚度的减小,反射系数随之增大,且不同金属介电常数的谐振方向变化趋势一致;随着腔厚度的减小,在反射相位减少的同时其存储能量也随之减少。

无限大界面处表面等离子激元特性研究

从Maxwell方程出发,研究了无限大界面处表面等离子激元的色散关系,并讨论了传播常数与介质折射率的关系、横向光斑大小和能流等问题.

腔体模式下表面等离子激元共振的仿真研究

为了分析腔体模式下表面等离子激元共振情况,介绍了电介质球腔体本征模式的多重散射解析方法和有限元数值计算方法(comsol软件),运用有限元法建立简单模型进行数值仿真,简要分析腔体模式与金属表面等离子激元的耦合,重点分析了小球半径与表面等离子波长的关系,提出了改变小球半径来影响表面等离子波长的构想,并提出了近似的公式。

基于碳纳米管薄膜的表面等离子激元透射特性

利用有限积分技术研究了碳纳米管薄膜微结构在太赫兹波段的增强透射特性,研究了微结构的数目、宽度、深度以及材料电导率变化时对透射特性影响规律,结果表明,在微结构孔周围设计比共振波长小200倍的环形槽会产生局域化强场,增强因子能达到2.4,这种增强机制来源于微结构与表面波的强耦合作用.

表面等离子激元超构表面的研究进展

传统光学系统(如透镜、波片和全息片等)在光程远大于波长尺度的范围内实现对光波前的调控,其中振幅、相位和偏振的改变均依赖于光束反射、折射和衍射过程所累积的动态光程差。近年来涌现出的平面超薄光学系统因突破了传统设计的局限性而受到各个领域研究人员的青睐。本文着重介绍基于表面等离子激元的超表面在自由空间光场和局域光场波前调控方面的最新进展,阐述相关机理和具体应用,并结合国内外研究现状,分析现有技术存在的瓶颈且对该领域未来的发展趋势进行探讨和展望。

基于金属表面等离子激元的侧耦合半圆形腔-波导透射谱分析

设计了一种新型的基于金属表面等离子激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)的亚波长金属-介质-金属型滤波器.该滤波器由一个半圆形谐振腔和一个直波导组成.利用时域耦合模理论和传输变换矩阵方法对结构进行理论分析,并通过时域有限差分方法(the finite difference time domain method,FDTD)进行数值模拟得出光谱响应.讨论了几何参数对透射曲线的影响,并设计了一种双腔结构来获得高对比度的透射曲线.

基于双表面等离子激元吸收的纳米光刻

光刻技术(lithography)是微纳结构制备的关键技术之一.受限于光的衍射极限,传统光刻方法进一步缩小特征尺寸变得越来越难.表面等离子激元(surface plasmon polariton,SPP)作为光与金属表面自由电子密度振荡相互耦合形成的一种特殊电磁形式,具有波长短、场密度大、异常色散等特点,在突破传统光学衍射极限的研究和应用中具有重要的学术和实用价值.本文针对SPP在光刻胶中的非线性吸收及其在大视场纳米光刻中的应用进行了理论和实验探索.在回顾SPP概念的基础上,阐述了双SPP吸收的概念及其应用于纳米光刻的优势,明确了该效应具有与传统双光子吸收不同的内涵和特性.在800和400nm飞秒激光的作用下,实现了基于双SPP吸收效应的周期干涉条纹,同时验证了双SPP吸收的闽值效应,通过控制曝光计量实现了图形线宽的调控,最小线宽小于真空光波长的1/10.利用SPP波长短、场增强的特点,并结合非线性吸收的闽值效应,单次曝光区域比纳米图形尺度大4 5个数量级,曝光区域的直径可达1.6 mm.同时制备出较为复杂的同心圆环结构.基于双SPP吸收独有的特性以及SPP丰富的模式,有望进一步在大光刻视场、超小尺度图形光刻技术上获得突破.

基于表面等离子激元的自由空间广角接收机研究

广角光接收机能够接收来自空间各个方向的信号光,大大降低了自由空间光通信系统对准、跟踪和捕获的复杂度,在未来无线光通信系统中有着广阔的应用前景。然而,当它采用传统光器件来实现时,其视场角会受到各种制约而很难扩展。本文提出采用表面等离子激元的方法来实现空间光的广角接收,并提出了一种等离激元波纹喇叭结构,它能突破衍射极限,打破传统器件的种种制约,并且能在相对较宽的角度范围内获得较强的增益。我们对相关的原理和设计方法都做了详细的讨论。

基于表面等离子激元的凸环结构金属-介质-金属滤波器设计

利用边界耦合的方法构造了金属-介质-金属结构滤波器,该结构由一个凸环谐振腔与一个波导管耦合而成.通过有限元法数值仿真得到了该凸环腔体波导结构的磁场分布图、透射谱线和谐振波长分布,分析了各结构参量对滤波器传输特性的影响.结果表明,所提出的凸环滤波器具有透射峰窄,谱线平滑等特点,且阻带透射率最低可达0.001,通带透射率最高可达0.977.增大结构参量h2和neff时,相应的透射谱会发生明显的红移,增大结构参量L1时,透射谱几乎无变化.对结构参量进行调整和优化,相应的谐振波长可分布在第一通信窗口(850nm)和第三通信窗口(1 550nm)附近,能够很好地运用于光通信中.