基于纳米金属结构新型表面等离激元滤波器研究

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未来社会的高度信息化、智能化发展对光电子器件的微型化、集成化的要求越来越高,特别是在同一基片上实现光电器件集成对信息光电子技术的跨越式发展具有重要的意义。而目前热噪声、RC时间迟滞等因素对纳米级电子线路的制约,使得传统光电子器件无法满足当下通信发展的需求。就器件传输带宽而言,传统的光子器件相比电子器件有不可比拟的优势,但光衍射极限的存在使得纳米尺度光子器件无法高度集成。为突破这一发展瓶颈,一种基于表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)的光子器件应运而生。SPPs 是光学和电子学器件在纳米尺度的连接桥梁,它既解决了光学元件受衍射极限影响无法缩小到纳米尺寸的问题,同时又保留了光传输容量大速度快的特点。因此受到了海内外大量研究者的关注,被认为是未来纳米集成光路中最具有潜力的应用。  本文基于微腔耦合结构对新型等离子体波导进行研究,利用金属/介质/金属结构内SPPs的传播特性及其与微腔的耦合特性,设计了两种等离子体带阻滤波器。采用有限时域差分(FDTD)法对该器件的主要结构参数进行模拟仿真和分析,同时优化其参数,通过调节谐振腔的腔长,来实现线性可调带阻滤波特性和线性可调等离子诱导透明的目的。主要的研究工作如下:  1、提出了一种基于微腔耦合结构的等离子体弯曲波导新型滤波器,该滤波器由两个直角波导和一个矩形谐振腔组成,光通过该结构会激发表面等离子体激元(SPPs)。采用FDTD 数值模拟方法研究此结构SPPs的传播特性,相比于传统的直波导结构,本文提出的这种单微腔弯曲波导结构由于其引发的双边耦合效应,会产生更强烈的共振作用,其耦合效率也得到了进一步提高。研究表明,通过改变谐振腔的腔长,也可达到线性调节滤波器共振波长的目的。  2、依据上述设计思路,本文又设计了一种双微腔耦合波导结构。该结构由一个弯曲波导与左右两个谐振腔组成,其利用了两个微腔透射波的叠加作用,产生动态可调控的等离子诱导透明效应。仿真表明,随着谐振腔等步长增长,等离子诱导透明曲线的透射波峰波长呈近似线性关系。  3、基于新型石墨烯材料光电性质的可控性和上述新型纳米金属结构的仿真结果,本文采用石墨烯材料进行切换两种金属结构表面等离激元滤波器功能的实验探索。初步完成了石墨烯的转移实验及其相关性能表征工作,为更进一步实现所设计高性能滤波器结构提供技术支持。
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