新型非对称Y分支波导设计与分析

非对称型Y分支波导是用于实现分支波导光功率非均分输出的重要单元器件,在集成光子器件中有广泛应用.基于全内反射原理,提出了一种新型非对称Y分支波导,通过将左右分支波导相对于输入波导在横向方向上进行偏移以实现特定分束比光输出,并对其光学特性进行模拟分析.结果表明,该波导结构不仅能实现任意特定分束比光输出,在分支角达到14°条件下其输出损耗仅为0.417 dB,而且偏振依赖性低、工艺制作难度小,这种新型非对称Y分支波导在集成光子器件中具有重要应用意义.     

金属异质波导阵列中的表面等离激元传播特性

提出了一种新的一维金属异质波导阵列的设计方案,即波导芯区周期调制的金属波导阵列.数值模拟的结果表明,金属波导芯区的周期调制引起波导中传播的表面等离激元有效折射率的周期调制,从而可在特定的波段打开一个表面等离激元带隙(如1550nm附近).通过引入合适的缺陷波导单元,可获得特定波长的高品质因子(Q=556)的表面电磁模共振.这一结果可用于设计亚波长的布拉格反射器、光发射器、滤波器等,有可能被用于未来的集成光路.     

基于表面等离激元谐振腔的窄谱增强传感器

表面等离激元是一种局域在金属和介质之间的电磁波,与金属表面自由电子的集体振荡有关,具有高度局域和近场增强的特性.为此,利用表面等离激元谐振腔对红外窄谱增强成像设备进行设计,单个纳米等离激元谐振腔由两片金属银层构成.模拟结果表明,该纳米等离激元谐振腔在红外波段起到窄谱吸收的作用,在纳米等离激元谐振腔中,吸收波段得到较大的...     

基于表面等离激元的金属波导全光开关设计

利用金属表面等离激元(SPP)对光波的束缚和局域增强作用,设计了一种基于金属-电介质-金属波导布拉格光栅的全光开关。根据波导的电介质材料及其结构对有效折射率的调制作用,确定了开关各结构组成部分的材料和尺寸。通过引入金属波导滤波结构对抽运光和信号光进行了有效地分离,防止了抽运光对信号光及后续光路的干扰。使用时域有限差分算法(FDTD)对开关性能进行仿真,结果表明:新设计的全光开关在抽运光的光强为50 MW/cm2时其消光比达到7.32 d B,开关响应时间小于2 ps,结构的横向尺寸约为400 nm。     

非对称银纳米双环表面等离激元光谱特性

贵金属纳米材料在入射光激发下能够产生表面等离激元,即金属表面自由电子产生集体振荡.当其振荡频率与入射光频率相同时,发生表面等离激元共振,形成一种特殊的电磁场模式和光谱特性.利用该电磁场模式和光谱特性,能够调节金属纳米材料的光谱学行为,例如通过改变金属纳米结构的大小、形状以及周围介质介电常数等参数,在微纳尺度上实现光谱学...     

基于MIM型表面等离子体光波导的Y形分束器的传输特性研究

采用二维时域有限差分(FDTD)法,分析并对比了弯曲分叉部分的形状分别为正弦形和圆弧形的基于金属-绝缘体-金属(MIM)型表面等离子体光波导的Y形分束器的反射率、传输率以及能量分束比随几何结构参数的变化关系。数值计算表明,波导宽度对这两种Y形分束器传输特性的影响较为明显,两个输出分支的偏移量和弯曲分叉部分的长度对这两种Y形分束器传输特性的影响比较微弱。在600～1500nm波长范围内,弯曲分叉部分为圆弧形的Y形分束器的传输特性比弯曲分叉部分为正弦形的好。对于非对称型Y形分束器,当弯曲分叉部分为正弦形时,偏移量对反射率、传输率和能量分束比的调节作用较为明显,能量分束比最大可达到2∶1。当弯曲分叉部分为圆弧形时,偏移量对反射率、传输率和能量分束比的调节作用较为微弱。     

表面等离激元的聚焦与波导增强

近年来,表面等离激元学(plasmonics)已经形成一个新的学科热点.电子在金属与介质界面的集体振荡行为形成一种元激发——表面等离激元（surface plasomon polariton,SPP）.由于其具有特殊的耦合与传播性质,与SPP相关的器件设计与应用成为目前纳米光子学领域的国际前沿研究方向.文章介绍了利用微纳加工技术制备的SPP纳米结构,以及利用近场光学表征手段对SPP聚焦、波导、共振增强现象研究的进展.     

表面等离激元的聚焦与波导增强

近年来,表面等离激元学（plasmonics）已经形成一个新的学科热点.电子在金属与介质界面的集体振荡行为形成一种元激发——表面等离激元（surface plasomon polariton,SPP）.由于其具有特殊的耦合与传播性质,与SPP相关的器件设计与应用成为目前纳米光子学领域的国际前沿研究方向.文章介绍了利用微...     

基于表面等离激元光镊的新型纳米热源研究

针对纳米尺度热现象研究的需求,基于表面等离激元光镊对金纳米颗粒的动态操控能力,设计了一种实时、动态、可控的纳米热源。利用有限元法对光镊系统中金纳米颗粒的光热效应与表面等离激元电磁场强度的关系进行了模拟,阐明了由于表面等离激元和局域表面等离激元的耦合作用导致的电磁场能量聚集和增强,以及同时实现的金属纳米颗粒的光热效应;分析了在该光镊系统捕获金属颗粒过程中颗粒所产生的热效应,并由此得到了实时控制纳米热源热功率的方法。在理论研究的基础上设计实验并证实了该光镊系统中金纳米颗粒基于光热效应的加热能力。结合表面等离激元光镊系统对纳米热源的精确定位操控能力,该系统为纳米尺度热现象的研究提供了灵活而可靠的手段。     

带有矩形过渡区的非对称Y分支光波导

提出了带有矩形过渡区的非对称Y分支光波导的两种设计方案。分别通过设置两分支波导不同的宽度和改变分支波导与矩形中心的轴偏移量,去获得非对称分支比。采用有限差分光束传播法（FD-BPM）对两种结构进行模拟,得出它们的分支比和损耗。分支比分别最高可达809／6和72．9％,其相对应的损耗分别低于0．12dB和0．23dB,充分证明了方案的可行性,为以后非对称Y分支光波导的制作提供了实验基础。     

带有条形间隔矩形腔结构的波导滤波器特性分析

设计了一种带有条形间隔的矩形腔结构波导滤波器,并且利用时域有限差分法(FDTD)对其滤波特性进行了分析。结果表明该滤波器可以看成是两个T形腔的背向耦合,其透射性质与单T形腔类似,改变腔的长度和宽度可以改变透射谱的中心波长,以实现不同波长的滤波功能。     

带有条形间隔矩形腔结构的波导滤波器特性分析

设计了一种带有条形间隔的矩形腔结构波导滤波器,并且利用时域有限差分法（FDTD）对其滤波特性进行了分析。结果表明该滤波器可以看成是两个T形腔的背向耦合,其透射性质与单T形腔类似,改变腔的长度和宽度可以改变透射谱的中心波长,以实现不同波长的滤波功能。     

一种石墨烯波导褶皱激发表面等离子体激元的设计

设计了褶皱石墨烯波导结构激发表面等离子体激元,通过设计周期阵列结构实现了表面等离子体激元传播损耗的补偿.理论分析了周期阵列结构的表面等离子体激元传播模型和补偿损耗的方式,结果表明褶皱衍射激发表面等离子体激元波导不仅能够激发表面等离子体激元,还能利用表面等离子体激元波矢关系实现器件参数控制,周期阵列增益全程补偿损耗的方式可以显著增加表面等离子体激元的传播距离.数值分析结果进一步表明:该结构具备了保持亚波长尺寸的强局域化优势;周期阵列增益全程补偿可以显著提高纳米腔中的电场强度,降低传输损耗;波导结构的粒子反转水平较高,自发辐射噪声的扰动较低.设计的石墨烯波导器件可以为微纳光学集成、光子传感和测量等领域提供理想的亚波长光子器件.     

Otto结构加载MIM波导的表面等离子激元传输与衰减特性

设计了加载MIM波导的Otto结构研究SPPs的传输和衰减特性,应用球面EM场的解法求解了整个介质区域的本征函数的特征值。对SiO₂厚度分别为750 nm和1 500 nm的设计结构进行了仿真,结果表明:750 nm改进结构的TM₀传播常数达到了1.541,衰减系数仅仅为2.80;随着SiO₂层介质厚度的减小,反射系数随之增大,且不同金属介电常数的谐振方向变化趋势一致;随着腔厚度的减小,在反射相位减少的同时其存储能量也随之减少。     

干涉高斯光诱导的表面等离子激元驻波场的分析

考虑到实际入射光强的空间分布不均匀,基于Kretschmann模型并采用角谱方法分析模拟了两束高斯光干涉诱导表面等离子激元(SPP)驻波场。与理想平面波不同,高斯光诱导的SPP干涉条纹幅值大小不等,分布复杂,这表明光强空间非均匀程度会严重地影响到曝光深度的分布。还分析了金属薄膜的厚度、损耗以及光刻胶的介电常数对SPP驻波场的影响,并得出不恰当的金属板厚和细微损耗都会极大削弱SPP驻波场,而如果光刻胶的介电常数过大则有可能产生不了表面等离子体共振的结论。     

基于局域表面等离子体共振效应的聚合物波导传感器特性研究

以SU-8光刻胶作为波导芯层材料,设计了基于金纳米粒子的局域表面等离子体共振(LSPR)波导传感器。根据Mie理论,建立了金纳米粒子的消光模型,理论分析了纳米粒子半径、待测物折射率等因素对局域表面等离子体共振曲线的影响。分析表明:当待测液体折射率增大时,LSPR共振峰的位置发生红移。随着金纳米粒子半径的逐渐增大,传感器灵敏度增加。共振吸收峰逐渐由单峰变为双峰,其中一个峰位于520 nm波长附近,主要由表面等离子体吸收造成;另一个峰随金纳米粒子半径的增大而逐渐红移,主要由表面等离子体散射造成。     

Duality of Spoof Surface Plasmon Polaritons on the Complementary Structures of Ultrathin Metal Films

Complementary metal structures manifest a remarkable scattering feature, known as Babinet's principle. Meanwhile, for surface modes confined to one or two dimensions, the relation between the modes on complementary structures has not been thoroughly studied. Here, spoof surface plasmon polaritons supported on complementary metal films are systematically investigated. The duality of electromagnetism guarantees that these surface modes on complementary metal films possess precisely the same dispersion regardless of the geometry of the grooves, which is confirmed by both numerical simulations and experimental measurements. This work may open another avenue for spoof surface plasmon polaritons in both the theoretical and practical aspects.     

不同周期数牛眼结构对基于伪表面等离子激发的太赫兹透射的影响

为研究不同周期数的牛眼结构对太赫兹透射的影响,本文利用微机械加工方法,在铝板上分别制作5个圆环凹槽和15个圆环凹槽两种牛眼结构,并利用时域太赫兹波谱系统,对比了这两种不同周期数的牛眼结构的太赫兹时域信号和频域信号.实验结果显示,0.1~2.7THz宽频太赫兹参考信号可以被两种不同周期数的牛眼结构滤成窄带信号,中心峰值均在约0.53THz处,在该值处,5个圆环凹槽的透射率约为55.7%,15个圆环凹槽的透射率约为68.3%,1THz以上高频信号都被基本滤除,小周期数样品与大周期数样品太赫兹透射谱信号带宽与幅值的差别主要是由于周期性展开不足及边缘泄漏所引起.本文利用伪表面等离子理论解释了滤波效果,并通过有限元方法模拟仿真了宽频太赫兹信号通过不同周期数的牛眼结构后的样品信号,模拟结果与实验结果符合得较好,证实了不同周期数的牛眼结构对太赫兹电磁波的增透效应是不同的.     

五层对称人工超常材料结构的表面等离子体激元

研究了由左手材料、负介电材料、常规介电材料所构成的几种五层对称结构表面等离子体激元的特性.讨论了表面等离子体激元的存在区域、色散关系、以及p和s偏振的表面色散曲线枝,发现表面模的性质强烈依赖于系统的组成材料及其组合方式|层数越多,表面色散曲线枝也越多,处在频率通带的表面极化模态也越多|在五层结构中有p和s两种偏振的表面等离子体激元,在共振时,可导致p波和s波强透射.此外,通过使用衰减全反射方法,探讨了激发并观察表面等离子体激元的可能性.