基于表面等离子体共振(SPR)技术,设计了一种具有较高调制系数的金属纳米线阵列电光 调制器结构。通过改变驱动电压使反射谱的反射率发生变化,实现电光调制。利用时域有限差 分(FDTD)法对金属纳米线阵列层和缓冲介质层的参数进行优化配置,并研究了其结构参数对反射 谱反射率的影响。结果表明:当金属纳米线直径为34 nm、缓冲介质层厚度为1600 nm时, 电光调制器的模式耦合能力达到最强；随着驱动电压的逐渐增加,反射光谱的全吸收峰出 现明显的右移;通过调节加载在电极上的驱动电压可实现电信号对光信号的电光调制。

提出一种采用TiO₂膜增强双纤芯单通道光子晶体光纤表面等离子体共振生物传感器灵敏度的设计方案:在传感器银膜表面增加一层TiO₂薄膜,不仅可以隔绝氧气,防止银氧化,而且可提高传感器的灵敏度;采用全矢量有限元法数值分析传感器的耦合特性及其性能。结果表明,在待测介质折射率为1.33~1.38时,待测介质折射率与传感器的共振波长呈线性关系,线性相关度为0.9806,传感器的平均灵敏度为4200 nm·RIU ^-1。此外,进一步分析了光子晶体光纤空气孔大小、银膜厚度、TiO₂厚度等参数对传感器性能的影响。结果表明,改变结构参数可以优化生物传感器的输出光谱、改善传感器的性能。

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。

提出一种基于长程表面等离子体的介质-金属纳米线阵列-非线性介质复合全光调制器.考虑克尔效应对折射率变化的影响, 采用时域有限差分法分析了金属纳米线直径、介质层厚度和泵浦光强度对反射谱的影响, 通过合理配置金属纳米线和介质层的参数提高调制器的耦合性能, 并在此基础上分析不同强度泵浦光的反射特性.结果表明: 当金属纳米线直径为40 nm, 介质层厚度为1 800 nm时, 全光调制器的模式耦合能力达到最强.反射谱的反射率与泵浦光强度的变化呈线性关系, 相关系数为0.998 1, 且只需要0.5 GW/cm2功率的泵浦光就能使入射光的反射率从0.015提高到0.82, 较好地实现光信号对光的全光调制.

提出了一种新型金属-绝缘体-半导体(MIS)混合表面等离子体结构,基于时域有限差 分法验证了该结构在归一化频率范围(0.243～0.271)a/λ内具有明显的TM模式带隙。在二维光子晶体层 移除或改变中间行空气孔半径构成线缺陷,形成混合波导结构1和2。分析表明入射光频率位于 带隙内的光子能量被很好地局域在低折射率层中,且只能沿线缺陷传输。当入射波长为1550 nm时,两 种波导的传输距离分别为18.41 μm、15.70 μm, 群速度极值分别为0.186c、0.166c, 品质因数达 到384.74、1042.50。此波导能通过光子晶体层的线缺陷控制低折射率层表面等离子体(SPP)激光的传输路径,为波导 器件的研究提供了有效的理论依据。

为了提高GaN基LED的发光效率, 设计了一种新型LED模型, 该模型主要包括Ag光栅, 氧化铟锡过渡层和P-GaN光栅。首先阐述了利用该结构激发表面等离子体从而改善LED发光特性的原理, 讨论了该模型的加工工艺与制作过程。基于COMSOL软件, 利用有限元法对本文提出的LED模型进行了仿真分析, 得出该模型在不同结构参数下, 归一化辐射功率与归一化损耗功率随波长的变化规律以及电场分布情况。仿真结果表明, 在ITO过渡层厚度为55 nm, 周期为270 nm, 占空比为0.5时, 所设计的GaN基LED模型的发光强度较普通LED提高近30倍, 这一结果为研制高性能GaN基LED提供了可靠基础。

提出了一种基于反向表面等离子体共振原理, 由Ge20Ga5Sb10S65-钯-石墨烯分子-生物分子四层结构构成的新型生物传感器。 当生物分子之间发生相互作用时, 引起生物分子层折射率的变化, 从而导致反向表面等离子体共振角的偏移。 在此基础上, 根据传输矩阵法推导了传感器的输出光谱, 重点讨论了本文提出的传感器与传统传感器相比, 在灵敏度、 分辨率、 动态检测范围以及检测信号信噪比方面取得的进展。 另外, 通过对比研究, 深入分析了辅助介质层石墨烯厚度对传感器性能的影响。 最后, 利用近红外光作为提出的传感器的入射光, 分析了在近红外区域传感器性能的改善。 研究结果表明: 单层石墨烯分子使传感器性能达到最佳; 反向表面等离子共振峰强度约为入射光强的80%~90%, 使传感器的输出信号具有较大的信噪比; 在可见光区域, 当入射光波长为632.8 nm时, 提出的反向表面等离子共振生物传感器的分辨率是基于SiO2棱镜耦合反向表面等离子共振生物传感器的1.9倍, 是传统表面等离子共振生物传感器的3.5倍, 提出的传感器的动态检测范围约是现有传感器的2倍; 利用Ge20Ga5Sb10S65棱镜可使反向表面等离子共振生物传感器检测光波长由可见光区域扩展到近红外区域, 当入射光为1 000 nm时, 传感器的分辨率是可见光区域的3~4倍。 该研究对基于反向表面等离子体共振原理生物传感器的实现与发展具有重要意义。

连续波发生器的SPASER(Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation)相当于净放大等于零，不能作为放大器使用，文中采用改进的MIM波导结构实现SPASER作为放大器可能性。利用汉密尔顿函数的理论模型得到了放大器激射条件，数值计算表明：采用改进的MIM波导结构实现解决SPASER的内反馈问题和消除SP的净增益问题是可行的；改进结构在不到100 fs的时间里实现了SP激子数的稳定水平；改进SPASER放大器响应时间为100 fs，带宽为1.5~2 THz，SP的放大增益在30~60 dB范围。上述研究成果将为大规模集成光子学芯片设计提供了理论和技术基础。

采用Kretschmann结构激发表面等离子体,利用多孔陶瓷材料SiO2作感湿材料,当外界环境的相对湿度变化时,引起感湿层SiO2的折射率发生相应变化,导致表面等离子体共振角发生偏移.采用有限元法对传感系统在不同感湿层折射率下的反射谱进行了模拟分析,并根据反射谱的共振半峰宽和共振峰深度对金膜的厚度进行优化.研究结果表明:金膜的最佳厚度为55 nm,反射谱的共振角偏移量与感湿层折射率变化呈线性关系,湿度检测的分辨率高达0.37%RΗ,灵敏度达到0.03°/% RH .该研究对基于表面等离子体共振原理的湿度传感器的研制与应用具有一定意义.

通过将金属金嵌入到上下两层波导结构中, 与ZnO随机粒子相结合, 设计出一种新型结构的随机激光器。采用时域有限差分法(FDTD), 数值模拟了该随机激光器系统的光场分布和模式频谱图, 并针对金粒子和金薄膜两种情况进行对比分析。结果显示, 采用金粒子作夹层时, 出射激光模式数量减少, 单色性较好; 采用金薄膜作夹层时, 出射激光光强较大。