为提高传统GaN基LED的发光效率, 提出了一种基于纳米光栅结构的透射式表面等离激元增强型GaN-LED。该增强型LED包含覆盖在p型GaN光栅槽内的低折射率SiO2膜、Ag膜以及槽表面的ITO薄膜。详细阐述了该结构增强LED发光特性的基本原理, 利用基于有限元法的模拟软件“COMSOLTM-RF Module”对该结构进行参数优化和数值模拟分析。研究结果表明, 在周期p=280 nm, 占空比f=0.5, SiO2层的厚度d■=25 nm, 银层的厚度dAg=15 nm, ITO层的厚度dITO=30 nm时, 该结构在可见光范围内具有较高的传输效率, 其零阶透射率高达0.716, 零阶反射率为0.224, -1阶透射率峰值0.183, 且Purcell因子增强了近16.4倍。该结构可以同时提高GaN基LED的内量子效率、光萃取效率和SPP萃取效率。

构建了一种含双支节结构的石墨烯/介质/石墨烯亚波长波导结构。该结构将支节结构的选频特性和石墨烯的电可调特性相结合,能够实现在可见光到中红外范围内对入射光光强的动态调制。表面等离激元将光能量局限在纳米尺度的介质狭缝中,使调制器突破衍射极限,并且增强了石墨烯与光的相互作用。利用有限元法分析了石墨烯的化学势、支节长度以及介质材料对波导结构输出光强的影响。仿真结果表明:当入射波长为1550 nm、支节长度为315 nm、化学势由0.80 eV下降到0.78 eV时,消光比可达到6.77 dB。与传统调制器相比,所提光电调制器能够在保证高消光比的同时具有较高的调制效率,并且体积小、结构简单紧凑,可满足大规模集成应用的要求。

提出了一种新颖的基于金属脊-三角形半导体的混合表面等离子体波导结构, 基于有限元法对该波导结构进行了数值仿真和分析.主要研究了该结构的电场分布、传输长度、归一化模场面积和质量因数.结果表明:在工作波长为1550 nm时, 通过优化参数, 其有效模场面积达到0.00193 λ2, 传输长度为37.7 μm, 质量因数为4853, 该结构具有较低的损耗.与金属平板混合波导结构相比, 具有更大的质量因数, 更强的光场限制能力, 波导的综合性能更好.这种波导结构在微纳米光子学、光电子通讯和光信息存储等领域具有广阔应用前景.

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0.47 μm-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.

设计了一种带圆角的金属脊和低折射率空气间隙的新型混合表面等离子体波导结构。基于有限元法建立数学模型, 在工作波长为489 nm的可见光波段研究了该波导的电场分布、归一化模式面积、传输距离、品质因子和珀塞尔因子随金属脊曲率半径的变化情况。结果表明, 调整结构参数可使波导实现超深亚波长的光场限制, 同时获得较大的SPPs辐射增强倍数。在最优几何参数(纳米线半径为95 nm, 金属脊曲率半径为20 nm)下, 波导有效模式面积为0.0037λ2, 品质因子为268, 珀塞尔因子为65, 增益阈值为 0.2768 μm-1, 其表征激光增强值为69800。该激光器谐振腔具有超强的局域能力和激光增强能力, 可以实现超深亚波长的低阈值激射。

设计了一种新颖的混合双肋型表面等离子体波导结构，基于有限元法对该波导在工作波长为1550 nm下的传输特性进行了数值仿真和优化分析。研究了该结构的电场分布、传输损耗、归一化模场面积、品质因子和增益系数。结果表明，通过最优参数设计，有效模场面积可达1.5×10-4λ2，品质因子为135，增益系数为1286 cm-1，且此时具有较小的损耗。与矩形金属脊混合波导结构相比，所设计的结构具有更强的光场限制能力，可以获得更好的波导传输效果。所设计的波导结构是未来解决光电技术高速化、小型化、集成化的一个重要途径。

提出了一种基于混合表面等离子体波导（HPW）的纳米激光器，并对其进行了理论研究和仿真分析。此结构通过金属-介质界面的表面等离子体模式与高增益介质半导体纳米线波导模式耦合，使中间的空气间隙场强得到显著增大，并保持低损耗传输，实现对输出光场的深亚波长约束。通过对几何参数进行优化，得到具有较小阈值和较高品质因数的纳米激光器。与边缘耦合混合表面等离子体纳米激光器比较可知，当二者的几何参数相同时，基于HPW的纳米激光器具有更小的阈值。