基于表面等离子体激元的金属结构滤波器设计

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1、基于表面等离子体激元的金属结构滤波器设计摘要：金属表面等离子体激元所具有的近场增强、表面受限、短波长等特性为亚波长尺度的金属结构中光场局域化提供了可能性。利用它可以实现纳米级别、亚波长尺度内的高质量滤波。本文建立在表面等离子体理论的基础上，设计出一种方形腔结构，编写程序利用matlab和时域有限差分法模拟，并通过改变结构的宽度、高度和耦合长度等参数，分析光波通过该金属结构后的透射性质，结合振幅分布，总结了其在滤波器中的应用。abstract:withthepropertiesofnear-fieldenhan

2、cement,surfaceconfinementandshortwavelength,themetalsurfaceplasmonpolaritonsmakesopticalfieldinlocalareaofsubwavelengthmetalstructurepossible.usingitcanachievenanometerlevel,subwavelengthscaleofhighqualityfiltering.thispaperbasedonthesurfaceplasmonresonance

3、theory，designedakindofsquarecavitystructurebyusingmatlabprogramandfinite-differencetime-domainsimulations,withchangingtheparameterssuchasthewidth,heightofthestructureandthecouplinglength,throughthemetalstructureanalysisofopticalwaves,combiningwiththetransmi

4、ssionpropertiesandamplitudedistribution,summarizeditsapplicationinfilter.关键词：表面等离子体；亚波长金属结构；透射增强keywords:surfaceplasmons；subwavelengthmetalstructure；transmissionenhan中图分类号：th6文献标识码：a文章编号：1006-4311（2012）11-0047-020引言表面等离子体激元[1-3]（简称spps）是在金属-介质界面上自由电子与具有相同共振

5、频率的光波发生的一种集体振荡。其本质是一种倏失波，在平行于金属表面的方向上传播，在垂直于金属表面的方向上能量以指数形式衰减。传统光学由于衍射极限的限制，光子器件只能做到波长量级，无法满足集成光学的需求，spps穿透进金属的深度取决于趋肤深度，大约为10nm，比入射光波小2个数量级，为亚波长尺度的金属结构中光场局域化提供了可能性。spps具有近场增强、表面受限、短波长等特性。基于spps的光子器件克服了光学的衍射极限，大大减小了器件的空间尺寸和电磁场的相互作用距离，其近场增强特性大大补偿了光场能量的损失。使得微

6、纳米（亚波长）范围内的光学集成成为可能。近年来，研究者提出了许多金属表面等离子体的各种功能器件[2-11]，其中基于spps的调制器具有很强的实用性。可以实现纳米级别、亚波长尺度内的高质量滤波,是未来光集成器件可能的发展方向之一，使全光回路的实现成为可能。本文研究的基于表面等离子体激元的金属结构亚波长腔滤波器，对微纳米光学集成器件的开发具有重要的意义。1基本结构模型时域有限差分（fdtd）方法是一种研究光子晶体特性时常用的方法，该方法是从maxwell方程出发，对电磁场的e，h分量在空间和时间上采取交替抽样的

7、离散方式，使含时间变量的麦克斯韦旋度方程转化为一组差分方程，并在时间轴上逐步推进地求解空间电磁场。在matlab软件环境下，通过编写程序数值模拟垂直入射的高斯光束透射过金属方形腔结构的过程，得到透射谱和电场、磁场分布，设计并研究表面等离子体滤波器，通过改变结构参数的变化，研究各参数对滤波的影响。本文运用二维fdtd法，以完全匹配层作为四周的边界条件，光源在时间和空间满足高斯光束，模拟光波通过该方形腔结构的过程。该模型的基本结构如图1所示，图中，黑色部分是金属结构、白色部分为空气，a为方形腔的宽度，h是腔的高度

8、，w是方形腔与波导之间的耦合长度，模拟计算的过程中波导的厚度t=70nm始终保持不变。入射波为tm偏振（ex，ey，hz≠0）的脉冲，其中心频率对应的波长λ=1100nm，且脉冲的频谱波段为700nm至1800nm。整个过程要得到归一化的透射谱，首先放上结构，计算后得到的是透射波的时间响应，对其进行傅立叶变化后得到透射谱p1，然后拿掉结构再次计算，得到的是入射波的时间响应，对其进行傅立叶变化得到入射