帶有增益介質(zhì)的混合表面等離子體波導的設計與研究.pdf

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

2、較強的光場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中，設計了兩種不同的新型混合表面等離子體波導結(jié)構(gòu)，并利用有限元法對這兩種結(jié)構(gòu)的特性進行了深入研究，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和設計思路。
　　本文的主要工作如下：
　　(1)在表面等離子體的發(fā)展狀況和應用前景下，介紹了表面等離子體和表面等離子體波導的基本理論，重點分析了混合表面等離子體波導的特點和優(yōu)勢，并

3、闡述了光波導材料和數(shù)值計算方法——有限元法，為后續(xù)新型波導結(jié)構(gòu)的設計和研究提供了理論基礎。
　　(2)設計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結(jié)構(gòu)，利用有限元法在可見光波長下研究了該波導基模的電場分布及幾何參數(shù)對模式特性的影響，并計算了基于該混合波導的納米激光器的增益閾值。結(jié)果表明：該結(jié)構(gòu)具有深亞波長約束下的低損耗特性。通過優(yōu)化幾何參數(shù)，在保持超深亞波長的場限制能力的同時得到最低的增益閾值。該結(jié)構(gòu)與同類耦合雙

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)設計了一種帶有增益介質(zhì)的金屬-半導體雙肋型混合表面等離子體波導結(jié)構(gòu)，利用有限元法仿真模擬了該波導在紅外波長下基模的電場分布，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)實現(xiàn)了對光場的超深亞波長約束且具有較低的傳播損耗和增益閾值。通過優(yōu)化其幾何參數(shù)，波導的特性達到最佳。與先前報道的金屬碟型波導結(jié)構(gòu)相比，在相同的幾何參數(shù)下該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了更強光場限制的同時進一步