1 燕山大学电气工程学院, 河北 秦皇岛 066004
2 鞍山师范学院物理科学与技术学院, 辽宁 鞍山 114007
设计了一种金属三角肋和增益介质三角肋完全对称并带有圆柱形空气缝隙的新型混合等离子体波导结构。采用COMSOL Multiphysics软件,分别仿真了波导的二维和三维耦合电场分布模型,并基于有限元法分析了波导的模式特性。研究结果表明:当工作波长为1550 nm时,设计的波导结构具有很强的光场约束能力、超长的传输距离、超低的传输损耗和增益阈值。对波导的结构参数进行了优化,当波导的有效模场面积达到0.0022λ2时,波导的传输距离能够达到69805 nm,传输损耗低至0.0017;基于此波导的激光器也具有很低的增益阈值,为49.3 cm -1。最后研究了实际制备过程中可能出现的制作误差对波导性能的影响,并分析得出此波导结构对制作误差具有较高的容忍度。与同类型带有空气缝隙的波导结构相比,此波导的综合性能更优,在各种集成纳米光子设备中具有很大的应用潜力。
光电子学 等离子体激元 混合表面等离子体波导 有限元法 模式特性 制作误差容忍度
1 山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006
2 山西大学 现代教育技术学院，山西 太原 030006
3 山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006:
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940 nm/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0.025 ps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。
表面等离子体光波导 T型谐振腔 法诺共振 Surface plasmon waveguide T-shaped cavity Fano resonance
1 山西大学物理电子工程学院, 山西 太原 030006
2 山西大学计算中心, 山西 太原 030006
设计了一种由涂覆双层石墨烯的圆形介质纳米线组成的表面等离子体光波导。利用有限元法(FEM), 数值分析了纳米线半径、介质夹层厚度、石墨烯化学势以及工作频率对波导所支持的电磁场模式的有效折射率、传播长度、归一化模式面积以及品质因数等模式特性的影响。结果表明, 这种新型的混合表面等离子体光波导具有很强的模式束缚能力, 归一化模式面积非常小, 可以实现极高密度的器件集成, 并且传输损耗较低。
石墨烯 表面等离子体光波导 模式特性 集成光子学器件 Graphene surface plasmon waveguide modal properties integrated photonic devices
1 山西大学物理电子工程学院,山西 太原 030006
2 山西大学计算中心,山西 太原 030006
本文设计并提出一种基于金属-介质-金属结构的带有半环形共振腔的表面等离子体光波导滤波器,利用数值模拟的方法研究了其传输特性。结果表明,在该结构传输谱曲线中形成的滤波阻带位置可以通过改变半环形共振腔的半径来调整。另外由于结构固有的特性,在传输谱曲线上还可以观察到类似等离子体感应透明的传输特性,而且这一特性可以通过改变半环形共振腔与直波导之间的耦合间距和采用面对面放置的双半环结构进行调节。本文所设计的结构可以动态控制光的传输,并可以应用于紧凑型纳米光学器件集成领域。
表面等离子体光波导 滤波器 传输谱 Surface plasmon waveguide filter transmission spectra
1 燕山大学电气工程学院， 河北 秦皇岛 066004
2 东北大学秦皇岛分校控制工程学院， 河北 秦皇岛 066004
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。
表面光学 表面等离子体波导 传输特性 有限元法
1 School of Electronic and Electrical Engineering, Chuzhou University, Chuzhou 239000, China
2 College of Physics and Electronic Information, Anhui Normal University, Wuhu 241000, China
中国科学院安徽光学精密机械研究所,安徽省光子器件重点实验室, 安徽 合肥 230031
研究了介质加载型表面等离子体(DLSPP)波导中发光粒子的自发辐射特性.通过经典偶极子近似,给出了发光粒子在SPP 波导任意位置处的自发辐射速率与自发辐射耦合成表面等离子体(SPP)导波模概率的计算方法；采用有限元法(FEM)模拟计算了单模DLSPP 波导中若丹明6G(R6G)发光粒子的自发辐射速率和自发辐射耦合成SPP 模式的概率.模拟结果表明,在DLSPP 波导中,当发光粒子距金属界面较近时,自发辐射速率大幅增强,当远离金属界面时,自发辐射速率降低并趋于真空中的值；同时,DLSPP 波导中发光粒子自发辐射耦合成SPP 模式的概率也与其位置相关,当处在波导截面中心位置时,自发辐射耦合成SPP 导波模的概率可高达70%.基于上述模拟结果,指出通过优化发光粒子在截面上的掺杂分布,可以提高截面上平均粒子数反转度,也可以提高截面上发光粒子自发辐射耦合成SPP导波模的总效率.
激光光学 表面等离子体波导 自发辐射 偶极子 若丹明6G
1 中国振华集团云科电子有限公司, 贵州 贵阳 550018
2 贵州航天计量测试技术研究所 贵州省功率元器件可靠性重点实验室, 贵州 贵阳550009
3 河南理工大学 物理化学学院, 河南 焦作 454000
4 同济大学 电子与信息工程学院, 上海 201804
本文在介绍表面等离子波导基本理论的基础上, 主要对表面等离子波导的若干应用进行综述, 包括基于表面等离子波导实现的光学和微波频段的慢波效应、类电磁感应透明现象、可调滤波器, 以及通过对电磁波绕射而实现的隐身效应等。最后指出该领域存在的问题与挑战, 并对今后的发展趋势进行了展望。分析认为, 通过引入增益介质、采用超导材料等方法降低表面等离子波导材料的损耗、减少工艺制作的难度是今后亟待解决的问题。
表面等离子波导 特异材料 慢波效应 surface plasmon waveguide metamaterials slow wave effect
1 山西大学物理电子工程学院, 山西 太原 030006
2 山西大学计算中心, 山西 太原 030006
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。
表面等离子体光波导 有效折射率 传输距离 模式面积 束缚因子 surface plasmon waveguide effective index propagation length normalized mode area confinement factor
1 燕山大学 电气工程学院, 河北 秦皇岛066004
2 东北大学秦皇岛分校 控制工程学院, 河北 秦皇岛066004
设计了一种新型金属-多层绝缘介质-金属表面等离子波导结构, 利用时域有限差分法对其传输特性进行数值分析。研究了有效折射率和传播长度与中间多层绝缘介质厚度之间的关系, 并分析了金属层的角度对该波导结构中场分布的影响。结果表明: 当光波从波导结构上方垂直入射时, 电磁场被限制在多层介质中的高折射率区, 实现了场的耦合传输。多层绝缘介质的厚度均为220 nm时, 正六边形金属层结构对应的波导结构的传输性能较为理想。该结构能够实现亚波长尺度的光限制, 可以应用于光电子集成和传感器领域。
等离子波导 多层介质 传输特性 耦合传输 光电子集成 surface plasmon waveguide multi-insulator transmission property coupling transmission optoelectronics integration
