带增益介质的表面等离子体波导的传输特性研究

来源 :燕山大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:alexzhujun
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近些年来,科研工作者一直致力于研究通过表面等离子体(SPs)控制光在纳米尺度上进行传播。SPs能突破传统衍射极限,是一种局域在金属-电介质界面上的激发态衰逝波。利用对金属表面的亚波长结构的调制,能实现对光传播的主动操作与控制。基于SPs的表面等离子体波导(SPWs)在亚波长尺度内对光的传导能力引起了众多学者的广泛关注。相对于其它的波导形式,金属-介质-金属(MDM)波导结构具有独特的优势,更容易集成到光子线路中去。然而影响该波导结构应用的瓶颈问题是MDM波导传输损耗很大,因此需要合适的光学增益介质补偿SPs的传输损耗。基于这些原因,本文提出了具有II-Ⅵ族半导体ZnO作为增益介质的金属-半导体-金属(MSM)波导结构,并深入研究了MSM波导结构的传输特性。本文的主要工作包括以下几个方面:(1)首先简单介绍了SPs的基本理论,其中重点阐述了MDM表面等离子体波导的色散关系、传播常数等,为新型光波导结构的设计提供了思路。接着在分析了MDM的色散关系和传播常数的基础上,设计了具有半导体增益介质的金属-半导体-金属(MSM)表面等离子体光波导结构。(2)利用时域有限差分(FDTD)方法,对MSM波导结构的传输损耗、有效折射率随几何结构的依赖关系进行了分析,进一步研究了利用II-Ⅵ族半导体ZnO作为增益介质时的无损传播条件。结果表明,当ZnO宽度为80nm或更宽时,MSM表面等离子体波导可以实现紫外波长下的无损传播。(3)为了深入研究带有增益介质的MSM波导结构的传输特性,进一步设计了一种双平行圆柱形MSM纳米棒构成的SPWs,利用FDTD方法对其进行数值仿真。结果表明,当光波垂直主轴入射时,电磁场被很好地局限在两纳米棒所形成的中间区域以及介质层中,从而在该波导中能够有效地耦合电磁场能量。通过调整波导结构的几何参数可以显著提高金属纳米棒的场限制,降低波导本身的损耗,使波导的有效折射率和传播长度达到最优化。这种等离子体波导可以实现亚波长的光限制,对于光集成芯片和传感器领域的研究有重要意义。
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