深亞波長金屬-介電復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的模式分析和傳輸線理論研究.pdf

1、全光信號處理和光學(xué)傳感領(lǐng)域的現(xiàn)實(shí)需求,促進(jìn)了納米光子學(xué)的飛速發(fā)展。以新型電磁媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號處理技術(shù)在新能源、環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域得到了應(yīng)用。表面等離子體(SPP)作為一種在金屬-介電(MD)界面處傳播的特殊電磁波動,可以有效聯(lián)結(jié)波導(dǎo)器件中的局域光場和行波場,用作亞波長波導(dǎo)和納米天線,在深亞波長波導(dǎo)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。由金屬或介電材料在亞波長尺度范圍內(nèi)周期性排列而組成人工電磁媒質(zhì)具有很多新穎的光學(xué)性能,在納米光子學(xué)和集成光學(xué)中應(yīng)用廣泛。其中,貴

2、金屬和介電材料組成的深亞波長波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在全光通信和傳感領(lǐng)域也具有非常重要的作用。
　　本文從貴金屬材料的Drude模型和金屬-介電復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的色散方程出發(fā),采用理論分析和時(shí)域有限差分(FDTD)的方法研究MD雙層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和金屬-介電-金屬(MDM)三層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的色散性能和有效折射率。提出MDM波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中可能存在對稱模式和反對稱模式,表面等離子體模式和振蕩模式。在深亞波長波導(dǎo)領(lǐng)域只存在對稱等離子體模式,對稱振蕩模式不在深亞波長波導(dǎo)的

3、研究范圍之內(nèi)。反對稱模式存在截止寬度,隨介電層厚度的增加,該模式由等離子體模式變成振蕩模式。對MDM波導(dǎo)中可能存在的四種模式的截止條件和臨界條件進(jìn)行系統(tǒng)分析,提出了MDM波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中模式在不同參數(shù)空間中的相圖。系統(tǒng)分析PEC近似和Yablonovitch等效電路模型下MDM波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的等效阻抗,并且從場分布的角度出發(fā)得出了MDM波導(dǎo)結(jié)構(gòu)等效阻抗,并對這些方法進(jìn)行了比較。通過使用COMSOL軟件軟件對MDM波導(dǎo)的等效阻抗的數(shù)值計(jì)算,驗(yàn)證理論解

4、析方法較其他兩種求得等效阻抗更準(zhǔn)確,可以將該結(jié)果用于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的傳輸線理論。將傳輸線理論引入對深亞波長金屬-介電復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)透射性能的分析過程,對單側(cè)樁 MDM濾波器件進(jìn)行傳輸線分析,并且和FDTD方法、FEM方法得到的結(jié)果進(jìn)行了對比,驗(yàn)證了傳輸線理論在深亞波長金屬-介電復(fù)合波導(dǎo)中強(qiáng)大的分析功能。結(jié)果表明傳輸線理論和轉(zhuǎn)移矩陣方法可以有效地闡釋金屬-介電復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光學(xué)傳輸性能,是一種行之有效的理論分析方法。提出的MDM波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的模式分