基于阻尼最小二乘法的表面等离激元定向耦合器的优化

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1、中图分类号：O439论文编号：102870816-S044学科分类号：080300硕士学位论文基于阻尼最小二乘法的表面等离激元定向耦合器的优化研究生姓名平晶晶专业类别工程硕士专业领域光学工程指导教师马海霞副教授南京航空航天大学研究生院理学院二О一六年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofscienceUnidirectionalCouplerOptimizationofSurfacePlasmonPolariton

2、sBasedonDampedLeast-squaremethodAThesisinOpticalengineeringbyJing-JingPingAdvisedbyProf.Hai-XiaMaSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2016南京航空航天大学硕士学位论文摘要表面等离激元是由光与金属表面集体震荡的电子相互耦合激发的一种沿金属和电介质界面传播的表面电磁波。它不仅提供了一种可以在亚波

3、长尺度上控制和利用光的方法而且在光子集成电路的发展中具有极大的潜力。另外，表面等离激元还可以用于其它领域，如亚波长光刻、光子探测器、光学天线以及生物传感器等。传统意义上，激发表面等离激元面临的两个挑战分别是耦合效率和方向的控制。很多研究学者设计了大量的新颖结构实现表面等离激元的定向发射，结构一定时，几何参数不同表面等离激元定向耦合器的性能也不同。如果要进一步提高表面等离激元的性能，还需要使用优化算法优化表面等离激元发射器的结构参数。本文主要利用阻尼最小二乘法优化几何参数，使表面等离激元沿既定方向传播。本课题基于COMSO

4、L4.4withMATLAB软件编写阻尼最小二乘法的程序以及模拟表面等离激元定向耦合器。阻尼最小二乘法和COMSOL相结合的优化技术不仅节约了大量的计算时间而且在好的初始结构的条件下能够获得性能优越的表面等离激元定向耦合器。在本文中，我们优化了由五组不对称凹槽对构成的准周期的表面等离激元光栅耦合器，其表面等离激元的消光比高达71??。该优化技术还可以推广到包括遗传算法在内的其它的数值优化算法，它不仅可以用于表面等离激元定向耦合器的设计，而且还可以用于其它的纳米光子元件的设计，例如，其它结构的表面等离定向耦合器、异常光学透

5、射、微纳光学天线以及表面等离激元波导。关键词：表面等离激元，准周期金属光栅，定向耦合器，有限元方法，阻尼最小二乘法I基于阻尼最小二乘法的表面等离激元定向耦合器的优化ABSTRACTSurfaceplasmonpolaritons(SPPs)aresurfaceelectromagneticwavespropagatingalongthemetal-dielectricinterface,whichareexcitedbythecouplingoflightwithcollectiveoscillationsoftheel

6、ectronsatthesurfaceofametal.SPPsnotonlyprovideanapproachtocontrolandutilizelightatsub-wavelengthscalebutalsoarebelievedtobepromisingcandidatesforconstructingintegratedphotoniccircuits.Inaddition,SPPshavegreatpotentialsinotherfields,suchassub-wavelengthphotolithog

7、raphy,photo-detectors,opticalantennasandbiologicalsensorsandsoon.Traditionally,additionalchallengesariseinthecouplingefficiencyandcontrollingthedirectionofpropagationofthegeneratedSPPs.Manyresearchershavedesignedalargenumberofnovelstructurestoobtaintheunidirectio

8、nallaunchingofSPPs,differentgeometricparametersmakethepropertiesoftheunidirectionalcouplerdifferentwhenthestructureisfixed.Thispapermainlyexploitsthedampedleas