双椭圆纳米金属棒构成的表面等离子体波导的传输特性分析

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1、第58卷第6期2009年6月物理学报Vol.58,No.6,June,2009100023290P2009P58(06)P4168207ACTAPHYSICASINICAn2009Chin.Phys.Soc.双椭圆纳米金属棒构成的表面3等离子体波导的传输特性分析•郭亚楠薛文瑞张文梅(山西大学物理电子工程学院,太原030006)(2008年11月4日收到;2008年11月26日收到修改稿)设计了一种双椭圆纳米金属棒表面等离子体波导,采用频域有限差分法,对这种波导所支持的基模的能流密度分布、有效折射率和传

2、播长度随几何结构参数和工作波长的依赖关系进行了分析.结果表明,沿纵向的能流主要分布在两个椭圆金属棒所形成的中间区域,且越靠近金属棒的弧形边,沿纵向的能流越大.通过调节两个金属棒的中心距离以及它们的两个半轴的大小,可以调节模式的有效折射率和传播长度.在工作波长确定的条件下,相对于a=b的情形来说,在a

3、,场与金属的相互作用较弱,有效折射率较小,传播距离较长.这种双椭圆纳米金属棒表面等离子体波导可以用于光子器件集成领域和传感器领域.关键词:集成光学,光波导,表面等离子体波导PACC:7320M,4280L制作.11引言为了克服上面提到的缺点,本文设计了一种双椭圆纳米金属棒表面等离子体波导,拟采用频域有近年来,基于表面等离子体激元(surfaceplasmon限差分法对其传输特性进行研究,讨论这种双椭圆polaritons,简称SPPs)的表面等离子波导(surface纳米金属棒表面等离子体波导的几何结

4、构参数和工plasmonicwaveguides,简称SPWs)正在成为人们的研作波长对其沿纵向的能流、有效折射率、传播长度的[1—4]究热点.这种波导提供了一种新的导波机制,可影响.以在金属表面上以SPPs的形式导引光的传播.由于SPPs的横向尺度为亚波长量级,其传播距离可以达21结构模型与计算方法到数十倍于波长的量级,而且没有传统光波导或光子晶体光波导中存在的衍射极限,正好满足光子器本文设计的双椭圆纳米金属棒表面等离子体波件小型化和光集成芯片高密度化的要求.导的横截面如图1所示,它是在圆柱形电介质

5、包层目前,人们提出和研究过的表面等离子体波导中掩埋两个中心距离为2c、半轴分别为a和b的两[5][6—9]有薄膜型SPWs、间隙型SPWs、条型个椭圆形纳米金属银棒而构成的表面等离子体波[10,11][12—14][15—18]SPWs、缝隙型SPWs、楔型SPWs、沟渠导.很显然,这种结构可以分成ab[19—22][23]型SPWs和混合型SPWs以及纳米金属三种情况,分别如图1(a),(b)和(c)所示.[24,25][26]链等等.在这些表面等离子体波导中,薄膜型其中图1(b)

6、所示结构曾被Takahara等提到SPWs因为在横向上对光缺乏约束,没有得到广泛的过,但Takahara或其他研究工作者并未对这种结构应用;而条型、缝隙型、楔型、沟渠型和混合型SPWs进行详细分析.等几种因为具有较尖锐的棱角,在实验上不容易研究SPWs传输特性的主要数值方法可以分为3国家自然科学基金(批准号:60771052)和山西省自然科学基金(2006011029)资助的课题.•通讯联系人.E2mail:wrxue@sxu.edu.cn6期郭亚楠等:双椭圆纳米金属棒构成的表面等离子体波导的传输特性

7、分析4169图1双椭圆纳米金属棒表面等离子体波导横截面图(a)ab[34]时域方法和频域方法两大类.时域方法中常用的是31.0784+0.4118j(λ=0.8000μm).时域有限差分法(FDTD),频域方法中常用的是频域31结果与讨论有限差分法(FDFD)和有限元法(FEM).本文采用全[27—29]矢量的二维频域有限差分(FDFD)方法对其传首先研究如图1所示的双椭圆纳米金属棒表面输特性进行研究.这种方法是一种简单有效的数值等离子体波导所支持的导模的场分布情况,发现

8、这计算方法,它从麦克斯韦方程出发,假设沿z方向的种波导支持多种导模.在a=55nm,c=80nm和λ传播常数是β,每个场分量用<(x,y,z)=<(x,y)=80010nm,而分别取b=30,55,80nm的条件下,exp(jβz)来表示,这里<代表任意场分量.依据二维基模的Hx场、Hy场和沿z轴的能流密度Sz分布如频域有限差分方法原理,可以得到两个本征值方程图2,3和4所示.QxxQxyHx2Hx从这3组图中可以看出,基模的Hx场分量关=β,(1)Qy