基于表面等离子体激元的纳米激光器设计

设计了一种基于纳米线/间隔层/金属层的纳米激光器结构.该结构中,金属界面的表面等离子体模式与高增益介质纳米线波导模式耦合,提高了场增强效应.采用有限元法,分析了该结构的模式特性和增益阈值随几何尺寸的变化规律.结果表明:该结构具有较低的传播损耗和较强的光场限制能力,有效传播损耗最小值仅为0.013 3,归一化模式面积最小值仅为0.007.该纳米激光器结构可为发展新一代高效纳米激光器件提供理论和技术支持.     

纳米金属肋混合表面等离子体波导模式特性分析

基于传统混合表面等离子体波导,提出了一种半导体纳米线和纳米金属肋混合的表面等离子体波导.采用有限元法对其模式特性进行了数值模拟,研究了该波导的有效折射率、传播损耗、归一化模场面积等特性随波导几何尺寸的变化规律,分析了该混合波导的增益阈值.结果表明:该波导具有较低的传播损耗和较强的光场限制能力,并且混合模式的最小模面积仅为0.001 52μm2.     

一种由椭圆形金属和介质纳米线组成的混合表面等离子体光波导的基模控制特性研究

本文研究了一种由三根并排放置的椭圆形金属-介质-金属纳米线构成的混合表面等离子体光波导所支持的电磁场基模的控制特性,中间是高折射率的介质纳米线,左右是两根对称放置的金属纳米线。研究结果表明,基模电磁场增强效应主要分布在三根纳米线形成的两个间隙区域,且对整个结构的几何参数有一定依赖性。因此,通过改变纳米线的几何尺寸、两根纳米线之间的间距以及介质的电磁参数,可以调整和控制这种波导所支持的基模的有效折射率、模式传输距离、归一化的模式面积和模式束缚因子等物理特性。基于这些有效的模式操控特性,这种混合型的表面等离子体光波导可以应用于高密度光子器件集成、纳米光子学和生物传感器等领域。     

硅基混合表面等离子体纳米光波导及集成器件

总结并展望了硅基混合表面等离子体纳米光波导及集成器件方面的理论和实验研究工作。首先介绍了几种硅基混合表面等离子体纳米光波导结构,其尺寸可小至100 nm以下,而传播长度达100μm量级;其次介绍了基于硅基混合表面等离子体纳米光波导的功分器、偏振分束器和谐振器等集成器件,其尺寸为亚微米量级;最后探讨了硅基混合表面等离子体纳米光波导与硅纳米线光波导的耦合及对其进行增益补偿。     

低阈值混合表面等离子体纳米激光器的仿真设计

设计了一种包含圆柱形纳米线、空气间隙和半圆顶金属脊结构的低阈值纳米激光器.通过有限元法对激光器的模式特性、品质因数以及增益阈值进行数值计算,并研究了这些特性因子随结构几何参数(空气间隙、金属脊宽度和纳米线半径)的变化情况.结果表明,通过对参数进行调整,激光器的性能得到了显著优化.在最优参数下,增益阈值可达0.47μm-1,传输损耗仅为0.018.本文设计的纳米激光器能够实现低阈值的亚波长激射和低损耗传输,在生物医学、光通信等领域有广泛的应用前景,可为小型化和集成化的纳米设备提供技术支持.     

基于混合表面等离子体波导的纳米激光器的研究

设计了一种带有金属脊和低折射率介质夹层的新型混合表面等离子体波导结构，利用有限元法对该结构进行了数值仿真。COMSOL Multiphysics软件是一款基于有限元法模拟真实物理现象的仿真软件。在COMSOL Multiphysics软件平台上，构建该结构的三维模型，使用模态分析和频域分析模块，研究了其电场分布、归一化模式面积、传输长度、增益阈值、品质因数。结果表明：在工作波长为370 nm时，所设计波导的光场约束可达到较好的深亚波长水平，同时保持大的传输长度。提出的带有金属脊结构与平坦金属层结构相比，波导特性更好。将该结构应用于纳米激光器，由基模和纵模反映出，激光器内光场分布稳定且集中在极小的面积内。在波导特性良好的情况下，该激光器可保持较低的增益阈值和较高的谐振腔品质因数。综合考虑，选取最优尺寸为ｒ＝80 nm, d＝45 nm，此时有效模式面积为0.005 1λ2，传输长度为1 668 nm，增益阈值为1.46×10-6 m-1, 品质因子74.5。最后，在最优尺寸下，通过仿真得到了该结构的发射光谱，其发射波长为360 nm，输出电能比输入电能增强了3 100倍。该结构为小型化和集成化的纳米设备提供了技术支持，在生物医学和光通信等领域有广泛的应用前景。     

混合表面等离子体激元的纳米激光器设计

为了实现纳米激光器的性能优化,设计了一种基于纳米线、半圆形氟化镁、三角形空气槽和金属脊结构的纳米激光器模型。模型中耦合在低折射率电介质层中的SPP模式和纳米线波导可以在低折射率间隙下像电容器那样存储光能,从而使低折射率的空气槽场强明显增大。应用有限元法在COMSOL Multiphysics软件下,分析了该纳米激光器模型的电场分布、模式特性、品质因数和增益阈值随着设计结构几何参数变化的规律,通过各部分折线图的综合分析来得出模型性能的数据。分析表明：该模型的光场约束能力较强且传播损耗较低,其中归一化面积最小可达到0.004 8,有效传输损耗最小可达到0.002。波导模场区域和限制因素表明,该激光器模型可以实现输出光场的亚波长约束。该模型基本实现了低增益阈值、低传输损耗和高品质因数的要求。     

金属光子晶体平板的超强透射及其表面等离子体共振

用全矢量的三维有限差分时域(finite-difference time-domain,简称FDTD)方法,研究了正方形单元结构金属光子晶体平板的增强传输效应以及局域性表面等离子体共振现象.这种增强效应来自于两个不同的等离子体共振机制：由长方形空气孔形成的局域波导共振以及由周期性结构引起的光子晶体共振效应.对于由长方形空气孔形成的局域波导共振模式,其等离子体波全部局域在整个长方形空气孔区域中.而由周期性引起的共振模式,其频率随着金属平板表面周期性的变化而变化,相应的等离子体波分布在长方形空气孔区域的两端.产生的表面等离子体都局域在长方形空气孔区域中,电场强度得到了显著的增强. 关键词： 光子晶体 金属平板 超强透射 表面等离子体     

改进型混合表面等离子体微腔激光器的研究

设计了一种拥有增益介质脊和空气间隙的改进型混合表面等离子体微腔激光器,并在微腔的两端面镀一层50 nm厚的银反射镜,有效地提高了纳米激光器的性能.基于COMSOL Multiphysics软件分别构建二维截面和三维立体模型,在1550 nm的工作波长下对该改进型结构的传输性能以及微腔性能进行分析.结果表明:该激光器具有显著的亚波长限制能力和很大的传输距离,最长距离可以达到1.29 mm.测试该激光器的微腔性能时,通过调整结构参数获得了高质量因子、低增益阈值以及深亚波长下的超小有效模式体积0.001092μm~3和超高的Purcell因子8.29×10~5.与先前结构对比,在结构参数统一时,所设计的结构具有更低的激光激射阈值和更强的微腔局域能力.所设计的改进型混合表面等离子体微腔激光器可以作为各种光子器件的基本构建模块,并可应用于传感、纳米聚焦和纳米激光等领域.     

纳米三明治结构光子超材料中电磁场振荡行为研究

对金属-介质-金属的三层纳米三明治结构中的磁性等离子体模式特性进行了时域有限差分数值计算分析,并给出该类谐振器的品质因数变化规律.基于纳米三明治结构中的磁性等离子体模式对该种结构进行设计,研究几何构型参数以及介质材料折射率对磁性等离子体模式的调控规律.以电感电容等效电路近似理论对纳米三明治结构磁性等离子体模式谐振频率的变化规律进行理论解释,理论解释与数值计算结果符合很好.同时还研究了纳米三明治振荡器对电磁能量的限制,并从热和辐射两方面分析了该类结构的品质因数变化情况,可为基于磁性等离子体模式的新型波导及激光器结构的设计提供指导.     

A low-threshold nanolaser based on hybrid plasmonic waveguides at the deep subwavelength scale

A novel nanolaser structure based on a hybrid plasmonic waveguide is proposed and investigated. The coupling between the metal nanowire and the high-index semiconductor nanowire with optical gain leads to a strong field enhancement in the air gap region and low propagation loss, which enables the realization of lasing at the deep subwavelength scale.By optimizing the geometric parameters of the structure, a minimal lasing threshold is achieved while maintaining the capacity of ultra-deep subwavelength mode confinement. Compared with the previous coupled nanowire pair based hybrid plasmonic structure, a lower threshold can be obtained with the same geometric parameters. The proposed nanolaser can be integrated into a miniature chip as a nanoscale light source and has the potential to be widely used in optical communication and optical sensing technology.     

亚波长尺度下混合等离子泄漏模式激光

由于光存在衍射极限,因此传统方法不能实现亚波长尺度下的激光激射。为了打破这一衍射极限,本文设计了金属-介电层-半导体堆叠结构来实现深亚波长尺度下的激光激射,并讨论了相关结构对模式传播的影响。结构设计上,采用低介电常数金属银作为衬底、10 nm厚的LiF作为介电层、具有六边形截面的半导体纳米线ZnO作为高介电常数层,采用有限差分本征模和时域有限差分方法对所设计的结构进行光学仿真模拟。首先,通过改变ZnO纳米线的直径,使用有限本征模方法分析介电层中的光学模式,得到4种模式分布。然后,通过这4种光学模式在不同纳米线直径下的有效折射率和损耗计算了对应的波导传输距离以及激射阈值增益。最后,采用三维时域有限差分方法仿真分析纳米线稳态激光发射过程中各模式的电场分布。结果表明:在纳米线和金属衬底之间的介电层上存在混合等离子体模式和混合电模式,对于直径低于75 nm的ZnO纳米线,没有有效的物理光学模式,即混合等离子体模式和混合电模式都被切断,当ZnO纳米线的直径大于75 nm时,混合等离子体模式可以有效存在,而混合电模式在ZnO纳米线的直径达到120 nm之后才出现。虽然混合等离子体模式可以更好地限制在介电层中,但是它们的模式损耗太大,传播距离相对较小。此外,与混合等离子体模式相比,混合电模式的传播距离更长。在给定微米线的直径(D=240μm)下,混合电模式传播距离超过50μm。综上可知,在深亚波长尺度下利用混合泄漏模式可以打破光学衍射极限并实现激光激射。     

紫外波长下混合表面等离子体纳米激光器

设计了一种带有金属脊和氟化镁夹层的紫外混合表面等离子体纳米激光器。在COMSOL Multiphysics软件的基础上,使用有限元法分析了所设计激光器结构的电场分布、模式特性、品质因数和增益阈值。结果表明:在工作波长为390 nm的紫外波段,通过最优参数设计,其光场约束可达到较好的深亚波长水平,同时保持高的品质因数、低的损耗和阈值。与平坦金属层结构相比,在相同的参数下,所设计的结构具有更强的光场限制能力和更强的微腔束缚能力,有潜力使纳米设备趋于小型化和集成化。     

Hybrid plasmonic waveguide with gain medium for lossless propagation with nanoscale confinement

In this Letter, we propose a hybrid plasmonic nanosystem consisting of a silver cladding layer with a semicylinder bump on top of InGaAsP nanowire. Because of the coupling between the dielectric waveguide mode and surface plasmon polariton mode, the hybrid plasmonic mode can exhibit low loss with strong field localization. The finite element method numerical simulations are employed to evaluate the performances of the hybrid mode. In order to achieve the lossless propagation of the hybrid mode with the mode area of 0.0058(λ2/4) at 1.55 μm, the material gain of 200 nm × 300 nm InGaAsP nanowire should reach 1223 cm?1.     

Nanotube based hybrid plasmon polariton waveguide for propagation loss reduction and enhanced field confinement inside the gap region at the subwavelength scale

We present a comprehensive numerical investigation on the guiding properties of a nanotube based hybrid plasmonic waveguide, which comprises a high-index dielectric nanotube placed above a metallic substrate. It is shown that the incorporation of the nanotube offers additional freedom for tuning the optical performance of the hybrid plasmonic structure when compared to the traditional nanowire based hybrid counterparts, which enables further reduction of the propagation loss and enhanced field confinement inside the gap region, while simultaneously maintaining a subwavelength mode size at appropriate geometries. Systematic geometric parameters mapping considering the size of the nanotube and the dimension of the gap reveals that the tradeoff between the confinement and loss could be further balanced through optimizing key physical parameters. These investigations potentially lay the groundwork for the further applications of nanotube based hybrid structures.     

Gain-assisted indented plasmonic waveguide for low-threshold nanolaser applications

A subwavelength plasmonic indented waveguide with an active InGaAsP core is proposed.The characteristics of the gap plasmon mode and gain required for lossless propagation are investigated and analyzed by the finite element method.We numerically calculate the normalized mode areas and percentages of energy confined in InGaAsP and metal for plasmonic nanolaser applications.It is shown that the indentation of the sidewalls has an optimal value for which the lasing threshold gain is minimal.The structure could enable low-threshold subwavelength lasing and applications for optoelectronic integrated circuits.     

A high-quality factor hybrid plasmonic nanocavity based on distributed Bragg reflectors

Herein,we propose a high-quality(Q) factor hybrid plasmonic nanocavity based on distributed Bragg reflectors(DBRs) with low propagation loss and extremely strong mode confinement.This hybrid plasmonic nanocavity is composed of a high-index cylindrical nanowire separated from a metal surface possessing shallow DBRs gratings by a sufficiently thin low-index dielectric layer.The hybrid plasmonic nanocavity possesses advantages such as a high Purcell factor(Fp) of up to nearly 20000 and a gain threshold approaching 266 cm~(-1)at 1550 nm,promising a greater potential in deep sub-wavelength lasing applications.