基于表面等離激元的若干微納光學(xué)器件.pdf

1、在21世紀(jì)，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的電子集成電路已經(jīng)接近其理論極限。集成光路作為新的信息載體，與集成電路相比，可以極大地提高通信速率。但是由于光子不具有與電子相同的定域性特點(diǎn)，存在衍射極限，這就限制了光學(xué)器件的集成化。表面等離子體是一種金屬和介電材料交接面上的電磁波，其電磁場分布，在交界面兩側(cè)指數(shù)衰減，具有很高的局域性。利用表面等離子體，可以突破衍射極限，實(shí)現(xiàn)光學(xué)器件和回路的亞波長集成。本文的工作就是利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法設(shè)計(jì)基于表

2、面等離子的光學(xué)元件。在本文中，我們?cè)O(shè)計(jì)了金屬一絕緣體一金屬(MIM)波導(dǎo)和金屬一絕緣體(MI)界面的連接器件和基于表面等離子體的太赫茲(THz)光學(xué)隔離器件
　　 首先，為了實(shí)現(xiàn)MIM波導(dǎo)和MI界面之間的高效耦合，我們首先提出了一種新型的金屬-絕緣體-金屬-絕緣體(MIMI)結(jié)構(gòu)。在此結(jié)構(gòu)中，當(dāng)MIMI界面上的材料的有效折射率高于MIMI狹縫中材料的有效折射率時(shí)，通過選擇適當(dāng)?shù)腗IMI狹縫的寬度，可以實(shí)現(xiàn)MIMI結(jié)構(gòu)中的MIMI

3、狹縫和MIMI界面間的高效耦合。在第一個(gè)耦合長度的位置，耦合效率為82％。之后，通過使用一段長度等于其耦合長度的MIMI結(jié)構(gòu)，將MIM波段和MI界面連接起來，我們獲得了一種可實(shí)現(xiàn)MIM波導(dǎo)和MI交界面單向高效耦合的結(jié)構(gòu)。通過模擬計(jì)算，這種結(jié)構(gòu)中，MIM波導(dǎo)和MI界面之間的耦合效率可達(dá)78％，并且這種耦合具有很好的單向性，其單向?qū)Ρ榷瓤蛇_(dá)1:127。另外這種結(jié)構(gòu)耦合，在相當(dāng)寬的光譜范圍內(nèi)都有較高的效率和單向性，所以其對(duì)波長的變化具有良好的

4、容忍能力。這種結(jié)構(gòu)可以用來實(shí)現(xiàn)MI交界面上單向高效的表面等離子體激發(fā)，可以將MI界面上的電磁場能量壓縮到MIM波導(dǎo)之中，以實(shí)現(xiàn)MI界面上信號(hào)的集成化收集，可實(shí)現(xiàn)MIM波導(dǎo)和MI界面兩種結(jié)構(gòu)功能的結(jié)合，可作為高集成表面等離子回路中的重要接口器件。
　　 在第二個(gè)工作中，實(shí)現(xiàn)了THz波段的基于表面等離子的光隔離器。從金屬-磁光材料(M-MO)交界面上表面等離子體的色散關(guān)系可以看出，對(duì)相同頻率的光，兩方向傳播的表面等離子體的傳播常數(shù)和

5、有效折射率不同，即具有非互易性。非互易性在接近表面等離子體共振頻率的位置最大，隨著波長的增大而減小。之后利用這種非互易性，我們提出了一種新型的M-MO非互易性波導(dǎo)。這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)就是在金屬上放置有限寬度的MO材料。當(dāng)選擇MO材料的厚度，與單一的M-MO交界面相比，可以提高非互易性。并且，這種非互易性的提高，在THz波段更為明顯，可以使非互易折射率與光學(xué)波段接近。最后，利用這種M-MO波導(dǎo)構(gòu)成的環(huán)形腔，我們實(shí)現(xiàn)了THz波段光隔離器件。通過模