基于表面等离子体微纳光学器件的研究

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表面等离子体激元(Surface Plasmon polaritions,SPPs),由于其自身特点成为了纳米光子学的重要组成部分,其本质是金属表面的自由电子和入射光子之间互相作用而形成的一种非辐射电磁模式,一种沿着介质-金属表面传播的倏逝波。由于可以得到亚波长约束、透射增强效应等特点,集成化、微型化的要求都可以在表面等离子体激元的微纳光学器件中得到实现,所以就决定了纳米光子学将会成为人们探索的热点话题之一。本文介绍了表面等离子体的国内外研究现状以及一些基本的理论知识,在这些工作之上主要设计了三种简单的微纳环形腔光学元件其原理都是基于表面等离子体激元,主要工作有以下几个方面:(1)采用了一种基于MDM波导结构的圆形谐振腔,由一个直波导通道和纳米环内嵌在金属基底中组成,重点研究了环的半径以及材料的折射率对传输曲线的影响。研究发现,当改变圆环的半径时,我们可以看到随着半径的增大中心波长的位置也在随之增大。之后我们又研究了材料折射率与中心波长的关系,我们同样也得出了相同的结果,那就是材料的折射率与中心波长的关系也是线性关系,随着折射率的增大中心波长的值也在增大。(2)提出了基于MDM的多通道波分复用器,由一个直波导和纳米圆形腔内嵌在金属基底组成,重点研究了波长范围在600nm-1300nm之间的光传输特性。后面我们对结构又加以改进,我们通过改变输出端口与直波导的夹角,我们也可以实现单束光通过直波导后在输出端口有多个不同方向的输出,这就对本结构实现了很大的优化。(3)提出了一种全光开关逻辑门,由两个直波导和环形腔组成,两个直波导在环形腔的上下两侧,研究了异或逻辑门的光开关原理。首先对单个环形腔进行了研究,分析了场强与波长之间的关系图,进而利用公式计算以及分析,得出了环形腔暗和亮与所对应的折射率关系以及波长、环间距之间的影响因素。通过引入一种新的外加光源的方法来改变材料的折射率。我们可以得出,材料的折射率和两环之间的间距都是影响结果的关键因素。
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