混合表面等离子体波导的研究

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1、学校代码10699分类号TN256密级学号2011100487西北工业大学博士学位论文(学位研究生)题目混合表面等离子体波导的研究作者郑凯学科、专业信息与通信工程指导教师宋祖勋申请学位日期2017年9月西北工业大学博士学位论文(学位研究生)题目：混合表面等离子体波导的研究作者：郑凯学科专业：信息与通信工程指导教师：宋祖勋2017年9月Title:StudyonHybridSurfacePlasmonWave-guideByZhengKaiUndertheSupervisionofProfessorSongZu-xunADissertationSubmitt

2、edtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofInformationandCommunicationEngineeringXi’anP.R.ChinaSeptember2017摘要摘要混合表面等离子体波导（HSPWG）和长程混合表面等离子体波导（LRHSPWG）结合表面等离子体波导（SPWG）和全介质耦合硅波导的特点，将超越衍射极限尺寸的光学模式压缩在低损耗的间隙区域，是组成集成表面等离子体器件的基本元素，在微

3、生物探测、非线性数据处理和集成光电器件等领域有潜在应用。HSPWG和LRHSPWG的混合模式，分别由介质模式-表面等离子体激元（SPP）模式和介质模式-长程表面等离子体激元（LRSPP）模式耦合形成。由于电场强度的分布特点，导致传统HSPWG和LRHSPWG的混合模式分别具有较大的欧姆损耗和光学模式面积，从而使它们的光场限制能力或品质因数仍无法满足高性能高集成表面等离子体器件的设计要求。另外，当制备偏差较大时，在LRHSPWG中形成模式特性较复杂的不对称混合模式，由于模式耦合强度发生变化，从而导致它们潜在拥有高光场限制能力。因此，关于它们的探索性研究，对提

4、高表面等离子体器件的集成度十分关键。针对以上问题，本文利用金属凸筋或金属尖端和缝隙-介质结构分别支撑光学模式面积较小和近似无耗的优点，并结合传输模式分别在全介质耦合硅波导和表面等离子体波导中的特点，分别提出了具有高光场限制能力的HSPWG和高品质因数的LRHSPWG；通过耦合模式理论分析了结构参数对模式特性的影响。另外，本文从研究较大制备偏差对模式特性影响的角度出发，通过改变结构参数，提出了多种不对称结构，利用有限元法（FEM）研究它们的模式特性并阐明了模式特性变化的原因，分析了不对称结构在改善波导传输性能方面的作用。论文的主要工作如下：1.基于产生SPP

5、模式的过程和基本原理，分别推导出金属-介质结构承载的单侧SPP模式和介质-金属-介质（DMD）结构支撑的LRSPP及短程表面等离子体激元（SRSPP）模式电磁场的解析表达式。在此基础上，结合Drude模型获得光波段和近红外波段下，几种金属的介电常数，进而研究三种SPP模式的色散关系。另外，详细阐述工程上激发SPP模式的常用方法和评价SPP模式传输性能的模式特性指标。2.针对SPWG包含金属区域不规则、介质层数较多或多种模式相互作用，无法直接得到传输模式电磁场的解析解，论文建立完整求解传输模式波数的数值仿真方法，分别采用FEM和时域有限差分法（FDTD）求解

6、SPWG的耦合波动方程组。一方面，由于SPWG包含曲边等不规则区域，且SPP模式的电磁场变化剧烈，FEM需要采用曲边三角形剖分单元和二阶插值函数模拟目标区域；另一方面，由于SPWG包含金属区域，FDTD法需要结合Drude模型模拟目标区域。分别通过对于单侧SPP模式算例、HSPWG和LRHSPWG算例的仿真，验证了FEM和FDTD数值算法的有效性。I西北工业大学博士学位论文3.针对传统HSPWG的光场限制能力无法满足表面等离子体器件高集成度的设计要求，论文提出了具有高光场限制能力的HSPWG。首先，通过调整金属凸筋的高度，设计了结构简单、易于实现且具有高光

7、场限制能力的凸筋HSPWG（CRHSPWG）结构。其次，结合金属凸筋承载光学模式较小的特点和传输模式在高折射率差的缝隙-介质结构的能量分布特点，提出了拥有高光场限制能力的凸筋-缝隙-凸筋HSPWG（RSRHSPWG）结构。最后，通过FEM分别研究CRHSPWG和RSRHSPWG的模式特性指标受结构参数影响的变化趋势，利用耦合模式理论阐明混合模式的组成。结果表明，在适当结构参数下，CRHSPWG和RSRHSPWG的光场限制能力分别是传统HSPWG的10倍和100倍。4.针对传统LRHSPWG的品质因数无法满足表面等离子体器件高性能的设计要求，论文提出了具有高

8、品质因数的LRHSPWG。利用传输模式在高折射率差的缝隙-介质结构