带有T型腔的MIM波导的法诺共振特性研究

设计了一种带有枝节的金属-介质-金属(MIM)波导与T型谐振腔侧耦合的表面等离子体光波导结构。利用有限元法(FEM),数值分析了改变耦合距离、T型腔几何尺寸及其不对称性、枝节高度对法诺(Fano)共振谱线的影响。结合电磁场分布进一步揭示了Fano共振现象产生的物理机理,由此可以动态调节表面等离子体波在结构中传输时产生的Fano共振特性。另外,研究表明在T型腔内填充不同折射率的材料,利用所设计的波导结构可以实现灵敏度高达940nm/RIU的纳米尺度的折射率传感器。最后研究了结构的慢光传输特性,可以在Fano峰值附近实现约0.025ps的光学延迟。这种新型的表面等离子体光波导可能会在光子器件集成、慢光效应及纳米传感领域有着较大的应用前景。     

带有同心双圆环谐振腔的MIM波导的Fano谐振特性研究

本文设计了一种支持多重Fano谐振的金属-介质-金属(MIM)型表面等离子体光波导(SPW)结构,该结构由带有枝节谐振腔的直波导耦合同心双圆环谐振腔组成。利用有限元法进行数值仿真,研究了耦合距离、枝节的高度以及同心双圆环内、外环半径对Fano传输特性的影响。同时,结合磁场分布图,分析了多重Fano谐振形成的物理机理。另外,通过改变填充在同心双圆环谐振腔内介质材料的折射率研究了该结构在折射率传感器领域的应用。该波导结构具有灵敏度为1 400nm/RIU,品质因数高达1 380的传感特性。最后,本文研究了该波导结构的慢光特性,研究表明Fano峰附近的最大群折射率约为11.4,最大延迟时间约为0.076ps。这种SPW结构在纳米尺度的滤波器、折射率传感器以及慢光器件等领域有着潜在的应用前景。     

带有开口方环谐振腔的MIM波导的Fano谐振特性研究

本文设计了一种支持Fano谐振传输特性的金属-介质-金属(MIM)型表面等离子体光波导结构,该结构由带有枝节谐振腔的直波导和一个开口方环谐振腔组成。利用数值方法详细研究了Fano谐振传输特性对几何参数的依赖关系,并通过时域耦合模理论(CMT)对给定参数条件下的传输谱进行了拟合验证。同时,也对该结构在折射率传感器方面的应用进行了研究,通过计算介质折射率变化引起的Fano谐振峰的波长变化可以发现,传感器的灵敏度高达1500nm/RIU,品质因子超过1800。这种表面等离子体光波导结构在光子器件集成及纳米滤波器、快速光开关以及折射率传感器等领域有一定的应用前景。     

矩形孔光子晶体波导慢光特性

在线缺陷光子晶体波导中,利用矩形孔和椭圆孔分别替代临近线缺陷的第二行和第一、三行圆形孔,构成矩形孔光子晶体波导结构.利用平面波展开法对波导的慢光特性进行仿真分析,研究矩形孔的非对称性对慢光带宽和色散特性的影响.研究表明,在慢光区域平均群折射率变化为±10%的情况下,与圆形孔线缺陷波导相比,得到的导模能更好地限制在禁带中,而且当矩形孔宽度参量小于高度参量时,导模可以得到归一化延迟带宽积更大、带宽更宽、色散更小的慢光.通过对波导中矩形孔参量的优化,得到的慢光归一化延迟带宽积最大为0.402,此时带宽为44.4nm,群速度色散为8.0ps2/mm.     

基于石墨烯的光波导结构中的等离子体诱导透明研究

本文提出了两种新型的基于石墨烯的表面等离子体光波导(GSPW),结构由单层石墨烯直波导与侧耦合的石墨烯环形谐振腔和条形谐振腔构成,利用有限元法(finite element method,FEM)对GSPW中呈现出的等离子体诱导透明(plasmon induced transparency,PIT)现象及其慢光效应进行了研究,结果表明,传输谱中出现的PIT透明窗口峰值传输率可达到80%以上,而其两侧的传输谷值接近于0,并且PIT峰值附近的最大群折射率在112左右,具有很好的滤波特性与慢光特性。透明窗口在不改变几何结构的情况下还可通过石墨烯化学势的改变而动态调制,因此,该结构在今后基于石墨烯的高密度集成表面等离子体光波导器件的设计中具有重要的借鉴作用。     

谐振腔马赫-曾德尔干涉集成光波导陀螺

研究了光学环形腔中的单方向传输光在光学谐振腔中传输的情况，在系统旋转角速率变化时光束会产生频移，在此基础上，设计出一种具有谐振腔马赫-曾德尔干涉集成光波导陀螺结构，可以方便地检测出系统旋转角速率与方向，其检测精度与光波导谐振腔的品质无关。和萨尼亚克集成光波导陀螺相比较，性能价格比有进一步提高的潜力。     

光学谐振系统中慢光特性研究

针对两环形腔与直波导耦合的系统,考虑光纤耦合器的插入损耗,发现两个耦合器反射值的不同匹配,却可以在谐振处得到相同的透过率峰值,因此可以不必限定某两个具体反射值,通过数值模拟得到中心频率处透过率峰值与群折射率的反比关系.由于群延迟与群折射率相对应,所以群延迟的增加势要以牺牲峰值透过率为代价.将增益介质加入到三环形腔与直波导耦合的系统中,可以使结构的色散响应由反常色散转化为正常色散,同样体现出慢光的特性.在频域和时域范围内分别对群延迟做了定量的分析. 关键词： 慢光 透过率 有效相移 群延迟     

枝节直波导与开口方环耦合谐振腔的Fano谐振特性研究

本文构建了一个枝节直波导与带开口方环耦合谐振腔.基于金属-绝缘体-金属结构的Fano谐振原理,采用有限元法分析了该波导结构的透射谱线对谐振腔结构参数的依赖关系.在开口方环与直波导间距G=90 nm,枝节高度H=140 nm时,该谐振腔结构中可以产生中心波长分别为λ=746 nm和1521 nm具有反对称线型的双重Fano共振透射峰.研究表明：左侧谐振峰值先随H增高而升高,至H=140 nm达到最大值,之后随H增高峰值缓慢减弱,直至消失.右侧谐振峰值则几乎不受H变化影响.传输谷受H影响最大,随着H增大,枝节谐振腔的传输谷向长波长方向移动,而右侧两个传输谷基本保持不变.当H=210 nm时,左边Fano谐振完全消失,只剩下右边的谐振,且谐振峰基本保持不变.设置参数化扫描,观测Fano谐振的变化,在波长1500 nm～1700 nm之间,设置最佳参数,经拟合计算得到该谐振耦合腔可以作为一个灵敏度S为1496 nm/RIU,FOM=60.1的折射率传感器.该结构可以为纳米级折射率传感器设计提供有效依据.     

基于锚形谐振腔的等离子体波导特性研究

基于表面等离子体激元在金属-介质-金属结构中优良的传输特性,设计了一种由直波导和锚形谐振腔组成的波导滤波器。仿真分析了波导滤波器传输特性和电场分布随结构参数和谐振腔内介质折射率变化规律。结果表明,该锚形谐振腔最佳结构时滤波器半峰全宽低至8 nm,品质因数高达121.9。利用共振波长与结构参数变化规律,设计了光通信波长窗口的窄带带阻滤波器。根据SPPs对谐振腔介质折射率敏感的特性,发现透射谱线随折射率变大而发生红移。本文提出的基于锚形谐振腔的等离子体MIM波导滤波器为设计特定波长的窄带带阻滤波器提供了新思路,也为基于谱线红移特性设计的介质折射率传感器提供了技术支持。     

基于硅光波导非线性效应的色散监测技术研究

色散监测是实现高速光通信的一项关键技术,利用光波导器件的非线性效应进行色散监测可以实现集成化。硅光波导具有强烈的非线性特性,其非线性折射率系数约为5×10~(-18)m~2/W。当信号光和抽运光耦合后通过硅光波导,会产生自相位调制(SPM),交叉相位调制(XPM)等非线性效应,这些效应都能引起光谱的变化。光通信链路中存在的不同色散值会使得信号波形发生变化,波形变化的信号会在硅光波导中产生不同程度的SPM,XPM效应。通过合理设置滤波器的中心频率和带宽,同时测量由SPM,XPM效应产生的光谱变化结果,可实现对链路中残余色散的监测。研究表明色散监测范围可达±40 ps/nm。     

基于四盘形谐振腔耦合波导的三波段等离子体诱导透明效应

为了降低功耗、实现超快速响应和动态可调谐,设计了基于四盘形谐振腔耦合等离子体波导系统.使用两种不同的方法理论分析了等离子体诱导透明(PIT)效应:一种是明暗模式谐振腔之间的直接相消干涉,另一种是谐振腔之间通过等离子体波导的间接耦合.采用光学Kerr效应超快调控石墨烯-Ag复合材料波导的传输相移,实现了1 ps量级的超快响应时间.当泵浦光强低至11.7 MW/cm²时,等离子体诱导透明系统能够实现透射光谱2π相移.通过耦合模式理论和时域有限差分法,研究了模型的三波段PIT效应及其慢光特性.研究表明,系统透射谱的透射峰值超过80%,最大群折射率高达368.并且,整个系统的尺寸小于0.5μm².研究结果为低功耗、超快速、超紧凑型和动态可调谐的多通道光滤波和光存储器件的设计和制作提供了思路.     

加入增益介质的表面等离子体激元耦合共振波导传输特性理论研究

将增益介质加入金属环构成的表面等离子体激元耦合共振波导,利用传输矩阵及时域有限差分方法研究了不同增益系数下该耦合共振波导的透射谱线、色散关系以及群折射率.结果表明,增益介质共振频率附近的反常色散及正常色散变化能有效影响由共振波导几何结构决定的色散关系曲线,且具有相反的效果,分别使其变得平坦和陡峭,从而放大和缩小由共振波导几何结构决定的群折射率.另外,增益系数随外加抽运光改变的特点使得加入增益介质的耦合共振波导具有传输性能可灵活调节特性.文章的研究对促进耦合共振波导在高密度光学集成中的广泛应用具有积极意义. 关键词： 增益介质 耦合共振波导 表面等离子体激元 群折射率     

基于双矩形腔边耦合波导的等离子体诱导透明效应

为了降低功耗、实现超快速响应,设计了一种基于双矩形腔边耦合等离子体波导系统,并研究了其等离子体诱导透明效应.采用光学Kerr效应超快调控石墨烯-Ag复合材料波导结构,实现1 ps量级的超快响应时间.动态调控等离子体波导的传输相移,当泵浦光强为5.83 MW/cm^2时,等离子体诱导透明系统能够实现透射光谱π相移,这是因为基于石墨烯-Ag复合材料结构等离子体波导具有大的等效光学Kerr非线性系数,表面等离子体激元局域光场和等离子体诱导透明效应慢光对光学Kerr效应产生了协同增强作用,大大降低了系统获得透射光谱π相移的泵浦光强.等离子体诱导透明效应透明窗口的可调谐带宽为40 nm,系统的群延时控制在0.15 ps到0.85 ps之间,并且光波通过间接耦合或者相位耦合机制实现了等离子体诱导透明效应相移倍增效应.耦合模式理论计算结果很好地吻合了时域有限差分法仿真模拟结果,研究结果对于低功耗、超快速非线性响应和紧凑型光子器件的设计和制作具有一定的参考意义.     

含金属双缝的金属-电介质-金属波导耦合环形腔Fano共振慢光特性研究

基于表面等离子亚波长结构的传输特性,提出一种含金属双缝的金属-电介质-金属波导耦合环形腔结构。由金属双缝波导谐振腔形成的较宽的连续态波与由环形谐振腔形成的较窄的孤立态波耦合干涉相消,形成Fano共振。结合耦合波理论,分析了该结构形成Fano共振的传输及相位特性。采用有限元分析法对该结构进行模拟仿真,定量分析了结构参数对结构慢光特性的影响,实现结构参数优化。结果表明,优化后的结构群折射率可达205。该结构能为集成等离子慢光器件的设计提供有效的理论参考。     

双平行圆柱形MDM纳米棒等离子体波导的传输特性分析

设计了一种由双平行圆柱形纳米棒构成的金属-介质-金属(MDM)型等离子体波导,采用时域有限差分方法(FDTD)分析了波导结构的传输特性。当光波垂直主轴入射时,电磁场被很好地局限在两纳米棒所形成的中间区域以及介质层中,从而在该波导中能够有效地耦合电磁场能量。在工作波长为1 550 nm的情况下,随着内层金属芯半径的增大,有效折射率减小,传播距离增大;而中间介质层厚度增大时,有效折射率增大,传播距离减小。当外层金属壳厚为20 nm时,电场可以很好地被限制在纳米棒的介质层内。上述结果表明:通过调整波导结构的几何参数可以显著提高金属纳米棒的场限制,降低波导本身的损耗, 使波导的有效折射率和传播长度达到最优化。这种等离子体波导能够实现亚波长的光限制,可以应用于光子器件集成和传感器领域。     

基于十字连通形环形谐振腔金属-介质-金属波导的折射率传感器和滤波器

提出了由十字连通形环形谐振腔耦合两个金属-介质-金属(metal-insulator-metal, MIM)波导的结构,并用有限元法数值研究了表面等离极化激元在结构中的传输特性.通过对透射谱的研究,系统地分析了MIM结构的传感特性.结果表明,在透射光谱中有三个共振峰,即存在三种共振模式,其中透射峰与材料的折射率呈线性关系.通过对结构参数的优化,得到了折射率灵敏度(S)高达1500 nm/RIU的理论值,相应的传感分辨率为1.33×10~(-4)RIU.更重要的是,灵敏度不受结构参数变化的影响,这意味着传感器的灵敏度不受制造偏差的影响.此外,谐振波长与环形腔中心半径成线性关系,该器件在较大波长范围内实现可调谐带通滤波.透射强度随着波导与环形腔间距的增大而减小,透射带宽同时减小,因此,可以通过控制环形腔与波导的耦合距离来调谐透射强度及透射带宽.研究结果对高灵敏度纳米级折射率传感器和带通滤波器的设计以及在生物传感器方面的应用都具有一定的指导意义.     

基于半圆形与矩形谐振腔耦合结构的Fano共振

设计了一种基于金属-介质-金属波导的半圆形谐振腔与矩形谐振腔的耦合结构,采用有限元方法研究了该结构的传播特性.结果表明:透射光谱中产生一个类似Fano共振线型的共振谷,该Fano共振由半圆形谐振腔的宽谱共振和矩形谐振腔的窄谱共振相互耦合所导致.变化谐振腔的结构参量,发现该Fano共振谷位置依赖于矩形谐振腔的几何参量,而对两谐振腔相对位置的微小移动不敏感;同时,改变两谐振腔的并联方式,研究了两种衍生结构的传播特性,发现这些结构均可产生明显的Fano共振.此外,通过在谐振腔中填充不同折射率的介质材料,研究了三种结构基于Fano共振效应的折射率传感特性,其折射率敏感度最高达到750 nm/RIU.研究结果可为未来芯片上基于表面等离极化激元波导的高灵敏折射率传感器的设计提供理论依据.     

三镜级联结构Gires-Tournois谐振腔的色散特性分析

系统分析了三镜级联结构G-T谐振腔的色散特性,表明三镜级联结构G-T谐振腔具有不同于两镜级联结构G-T谐振腔的特有色散特性.利用该特性以三镜级联结构G-T谐振腔作为色散补偿元件可有效改善MGTI型interleaver的色散性能,并给出了以三镜级联结构G-T谐振腔为补偿元件的具体补偿实例.模拟结果表明：对50 GHz的MGTI型光交错复用器,可实现中心波长附近±0.08 nm、±0.09 nm和±0.1 nm范围内的色散绝对值分别小于1 ps/nm、2.4 ps/nm和6.6 ps/nm的良好的补偿结果.与文献报道的两镜级联结构G-T腔补偿结果相比,色散绝对值小于1 ps/nm的波长范围扩大了60%;在中心波长附近±0.09 nm范围内的色散绝对值降低了92%.     

非中心对称介质构成的光波导中的孤子传输

众所周知,由非线性Schr?dinger方程描述的光学孤子可以在光纤(由中心对称介质构成的光波导)中稳定传输。本文在理论上证明,在强色散的条件下,非中心对称介质构成的光波导中(比如薄膜波导,晶体光纤等),同样可传输这种光学孤子。由于定义了等效折射率系数,本文的结果还可用来讨论此类波导中与非线性折射率相关的其他非线性光学效应,比如自相位调制效应等。 关键词：     

双Loop-Stub侧边耦合波导结构多重等离激元诱导透明效应的数值分析

研究同侧、异侧和反对称双loop-stub(LS)谐振腔侧边耦合波导结构中的多重类电磁诱导透明效应,并利用有限元方法分别对这三种结构的光学透射特性进行数值模拟。结果表明,这三种结构的透射谱、磁场分布和色散强烈地依赖结构参数。着重讨论双LS谐振腔相邻两个stub腔的距离或两个水平分支的距离对透射特性的影响。随着距离的减小,两个LS腔之间的耦合增强,出现多个透射峰和透射谷(即阻带),多重类电磁诱导透明效应显著。此外,讨论了同侧双LS腔波导结构相邻两个stub腔的距离为零时,竖直分支宽度、水平分支宽度、总水平分支长度等参数对透射谱的影响。侧边耦合金属纳米波导结构在未来的集成光学有潜在的应用价值,如滤波器、传感器和慢光装置等。