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设计了一种新颖的混合双肋型表面等离子体波导结构,基于有限元法对该波导在工作波长为1550 nm下的传输特性进行了数值仿真和优化分析。研究了该结构的电场分布、传输损耗、归一化模场面积、品质因子和增益系数。结果表明,通过最优参数设计,有效模场面积可达1.5×10-4λ2,品质因子为135,增益系数为1286 cm-1,且此时具有较小的损耗。与矩形金属脊混合波导结构相比,所设计的结构具有更强的光场限制能力,可以获得更好的波导传输效果。所设计的波导结构是未来解决光电技术高速化、小型化、集成化的一个重要途径。
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资源评论
第
卷
第
期
中
国
激
光
,
年
月
CHINESEJOURNALOFLASERS
Ma
y
,
混合双肋型表面等离子体波导的传输特性
李志全
,
岳
中
,
白兰迪
,
冯丹丹
,
刘同磊
,
顾而丹
,
李文超
燕山大学电气工程学院
,
河北 秦皇岛
;
东北大学秦皇岛分校控制工程学院
,
河北 秦皇岛
摘要
设计了一种新颖的混合双肋型表面等离子体波导结构
,
基于有限元法对该波导在工作波 长为
下的
传输特性进行了数值仿真和优化分析
.
研究了该结构的电场分布
、
传输损耗
、
归一 化模 场面积
、
品质 因子 和增益 系
数
.
结果表明
,
通过最优参数设计
,
有效模场面积可达
λ
,
品质因 子为
,
增益 系数 为
,
且此
时具有较小的损耗
.
与矩形金属脊混合波导结构相比
,
所 设计 的结 构 具有 更强 的 光场 限制 能 力
,
可 以获 得更 好 的
波导传输效果
.
所设计的波导结构是未来解决光电技术高速化
、
小型化
、
集成化的一个重要途径
.
关键词
表面光学
;
表面等离子体波导
;
传输特性
;
有限元法
中图分类号
文献标识码
doi
:
.
/
CJL.
TransmissionCharacteristicsofMixedDoubleRibbed
SurfacePlasmon Wave
g
uide
Schoolo
f
ElectricalEn
g
ineerin
g
YanshanUniversit
y
Hebei
Qinhuan
g
dao
China
Schoolo
f
ControlEn
g
ineerin
g
NortheasternUniversit
y
atQinhuan
g
dao
Hebei
Qinhuan
g
dao
China
Abstract
λ
Ke
y
words
OCIScodes
收
稿日期
:
;
收到修改稿日期
:
基金项目
:
东北大学秦皇岛分校科技支撑
(
)
作者简介
:
李志全
(
—),
男
,
博士
,
教授
,
主要
从事集成光学
、
光纤传感及非线性光电检测等方面的研究
.
:
通信联系人
.
:
引
言
表面等离子体 技 术 是 纳 米 光 子 学 中 非 常 重 要 的 一 个 研 究 方 向
[
]
.
近 年 来
,
基 于 表 面 等 离 子 体 激 元
(
)
的波导在亚波长尺寸内具有很好的光传导能 力
,
成为国内外 研究的热点 方向
.
表面等离子 体光子器
件能够突破传统光子器件中衍射极限的限制
,
使得进一步将光子和电子的优势结合并 集成在芯片 上成为可
能
[
]
.
是局域在金属表面的一种电磁波模式
,
它是由金属表面的自由电子 和光子相互 作用形成的 一种
中 国 激 光
混合激发态
,
具有近场增强
、
亚波长局域和新颖色散的特性
.
目前
,
这项技术 已在数据存 储
、
生物医疗
、
光子
芯片等领域得到广泛应用
[
]
.
在光波导研究中
,
研究人员提出了各种类型的基于
的表面等离子体波导结构
,
包括金属缝结构
[
]
、
沟槽型结构
[
]
、
金属棒结构
[
]
以及楔型结构等
[
]
,
这些结构已 经显示出了 表面等离子 体 的特点和 优 势
,
但
是这一类的波导结构存在传播损耗与光场限制能力之间的制约关系
[
]
.
近年来
,
研究人员针 对上述表面
等离子体波导结构的缺点
,
提出了一 种混合表面 等离子体波 导
(
)
[
]
,
中界面电 场 的不连续 效
应和表面等离子体效应共同形成一种混合模式
,
这种混合模式不仅具有较低的传播损耗
,
而且同时具备较强
的光场限制能力
.
基于
的上述优点
,
年
等
[
]
提出了一种 基于圆形介 质纳米线的 混合纳
米光波导
.
在此基础上
,
等
[
]
于
年提出了一种带芯层的缩进 型混合表面 等离子体波 导结构
,
该波
导结构可以应用于光集成芯片中
.
为了提高
的模式限制能力
、
减小波导损耗并优化等离子体波导的传输性能
,
本文设计了一种新颖
的混合双肋型表面等离子体波导结构
,
并研究了其几何参数变化对波导的模场分布和传输特性的影响
.
物理模型与理论研究
21
结构设计
提出的混合双肋型表面等离子体波导结构如图
所示
,
该结构自下而上分别 由低折射率 介质缓冲层 二
氧化硅
(
)、
高折射率介质铟镓砷磷
(
)、
层和一个倒 立的三角形 金属肋组 成
.
选用的金 属
材料为银
(
),
提供一定的增益
.
金属肋与半导体肋之间是高度为
h
的低折射率间隙区
.
该结
构的水平宽度
W
,
整个
层的厚度
H
,
肋的高度
h
,
金属肋顶部宽度
为
W
.
金属肋上部的金属层厚度
h
,
金属肋顶角为
α
,
金属肋高度为
h
.
W
由
h
和
α
共同决
定
,
α
W
/(
h
).
该模型的 工作波长为
,
材料
、
、
的折射率 分 别为
,
,
[
]
.
图
(
)
波导的三维结构图
;(
)
波导的二维剖面图
22
色散关系
波长
λ
的高斯波沿着与
z
轴平行的金属
/
介质分界面传播
,
得到金属
介质
(
)
界面上的电
磁场物理模型为
[
]
E
=
(
E
x
,
,
E
z
)
[
(
k
x
x
+
k
z
z
-
wt
)]
E
=
(
E
x
,
,
E
z
)
[
(
k
x
x
+
k
z
z
-
wt
)]
H
=
(
,
H
y
,
)
[
(
k
x
x
+
k
z
z
-
wt
)]
H
=
(
,
H
y
,
)
[
(
k
x
x
+
k
z
z
-
wt
)]
ì
î
í
ï
ï
ï
ï
ï
ï
, (
)
式中
E
、
E
分别为介质和金属的总电场
,
E
x
、
E
x
分别为介质和金属沿
x
轴方向的电场分量
,
E
z
为
z
轴方
向的电场
,
k
x
、
k
x
为介质和金属沿
x
轴方向的波数
,
k
z
为
z
轴方向的波数
,
w
为角频率
,
H
、
H
分别为介质
和金属的总磁场
,
H
y
为
y
轴方向的磁场
.
根据上述方程以及
界面的电磁波连续条件
,
得到
的色散
关系式为
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