低色散低損耗表面等離子體慢光波導(dǎo)的理論研究.pdf

1、本論文主要對(duì)基于金屬-介質(zhì)-金屬等離子體結(jié)構(gòu)的相關(guān)器件和機(jī)理進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)了具有低色散的慢光波導(dǎo)和具有高品質(zhì)因數(shù)的諧振腔。提出了補(bǔ)償傳輸損耗、延長(zhǎng)傳輸距離的方法。實(shí)現(xiàn)了大帶寬延遲積。本研究工作對(duì)于推動(dòng)以表面等離子體為基礎(chǔ)的光集成系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用具有重要的意義。 本論文的主要研究?jī)?nèi)容如下： 第一章為文獻(xiàn)綜述，主要對(duì)本課題所涉及的相關(guān)理論知識(shí)和研究背景做了綜合的介紹。首先簡(jiǎn)單介紹了表面等離子體光子學(xué)的含義與應(yīng)用領(lǐng)域，闡述了表

2、面等離子體的基本概念和相關(guān)特性，并對(duì)典型的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和傳輸損耗解決方案進(jìn)行了總結(jié)。其次，對(duì)慢光的群速、色散、脈沖失真等指標(biāo)做了說(shuō)明。最后，對(duì)參量增益過(guò)程的原理進(jìn)行了理論分析。 在第二章中，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于表面等離子體的低色散慢光波導(dǎo)，并對(duì)其色散關(guān)系、場(chǎng)分布、時(shí)域功率譜等光學(xué)特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析。數(shù)值實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，通過(guò)將工作頻率點(diǎn)設(shè)置在色散曲線中適當(dāng)?shù)念l率范圍內(nèi)，此金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)波導(dǎo)可以在支持慢光傳輸?shù)耐瑫r(shí)，將群速度色散所帶來(lái)

3、的脈沖失真抑制到可以容忍的程度。此波導(dǎo)可以用于具有高比特率容量的慢光系統(tǒng)中。 在第三章中，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于第二章中所提出的直波導(dǎo)的高品質(zhì)因數(shù)諧振腔，并對(duì)共振態(tài)的場(chǎng)分布、諧振腔長(zhǎng)度與共振態(tài)頻率和共振態(tài)品質(zhì)因數(shù)之間的關(guān)系等進(jìn)行了分析。數(shù)值實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，在非零波矢處具有零群速度點(diǎn)的直波導(dǎo)導(dǎo)模可以用來(lái)提高具有相似結(jié)構(gòu)的諧振腔的品質(zhì)因數(shù)。隨著諧振腔長(zhǎng)度的增加，共振態(tài)頻率將逐漸收斂于零群速度頻率點(diǎn)處。此諧振腔是具有亞波長(zhǎng)尺寸的光學(xué)微腔，具有

4、重要的價(jià)值。 在第四章中，我們提出一種參量增益方案，用以補(bǔ)償在金屬-介質(zhì)-金屬等離子體波導(dǎo)中慢光傳輸?shù)膿p耗。利用波導(dǎo)中反對(duì)稱(chēng)TM模的獨(dú)特性質(zhì)，并引入非線性材料作為光學(xué)參量放大的增益介質(zhì)，導(dǎo)模的傳輸距離得到了較大的提升（100％）。這一補(bǔ)償金屬材料中吸收損耗的機(jī)制，為設(shè)計(jì)更復(fù)雜的納米等離子體器件打下了基礎(chǔ)。 在第五章中，我們對(duì)第四章中所提出的參量增益損耗補(bǔ)償方案進(jìn)行了改進(jìn)，并對(duì)兩種方案在頻域上進(jìn)行了比較和分析。數(shù)值實(shí)驗(yàn)的結(jié)

5、果表明，改進(jìn)后的方案對(duì)信號(hào)光具有更好的放大效果。通過(guò)超慢光(0.005c)對(duì)非線性效應(yīng)的放大作用，信號(hào)光的傳輸長(zhǎng)度得到了更大的提升(400％)。 在第六章中，我們分析了限制帶寬延遲積提高的幾個(gè)主要因素。利用金屬-介質(zhì)-金屬波導(dǎo)色散曲線的可調(diào)節(jié)性，可以在多個(gè)頻段上獲得大的帶寬延遲積。 在第七章中，我們對(duì)介質(zhì)-金屬-介質(zhì)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與其色散曲線之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。通過(guò)恰當(dāng)?shù)脑O(shè)置金屬層的厚度和介質(zhì)層的介電常數(shù)，可以獲得想要