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表面等离子体波(Surface plasmon polaritions,SPPs)是一种束缚在金属和电介质界面上并沿着界面传播的特殊电磁波场,其突出特点是具有巨大的局部场增强效应和能将电磁场能量聚集在很小的空间范围。因此,表面等离子体波在亚波长尺度内的对光的传导,等离子体共振波导光子器件等方面引起了广泛的关注。
在各种等离子体共振波导光子器件中,有很多是基于倏逝场耦合的光子器件,如光学定向耦合器,圆环/矩形谐振腔滤波器,马赫-曾德尔调制器……但是这些基于倏逝场耦合器件需要制造很薄的金属薄膜间隙(通常少于20nm),在现在的技术水平是达不到的。在本文中,我们提出了几种新型的不含金属薄膜间隙的等离子体共振波导光子器件。相较于其它的基于倏逝场耦合的结构,不含金属薄膜间隙的共振波导光子器件的结构非常简单,这给制作加工带来便利。本文的主要工作和研究成果为:
1.首次提出了新型的宽金属-介质-金属(wide Metal-Insulator-Metal,WMIM)结构并利用FDTD(Finite-Difference Time-Domain Method)方法对其特性进行了模拟。当能量不对称地注入WMIM结构的一边MI(Metal-Insulator)界面时,能量会周期性地在两MI界面之间转移。我们用耦合模理论对其特性进行了解析。最后,基于WMIM结构,我们研究了不含金属薄膜间隙的等离子体滤波器和光定向耦合器。
2.提出了基于垂直矩形谐振腔结构的滤波器,并和基于水平矩形谐振腔结构的滤波器作了对比。垂直矩形谐振腔透射谱上的透射峰数目是水平矩形谐振腔的一半。最后研究了基于缝隙耦合的不含金属薄膜间隙的单垂直矩形谐振腔和双垂直矩形谐振腔结构的滤波器。通过缝隙耦合,其透过率能达到92％。