發(fā)布時間：2018-02-06 00:58

  本文關鍵詞： 狹縫波導 表面等離激元 電場增強效應 模式耦合　出處：《北京化工大學》2015年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：現(xiàn)代光學器件正朝著集成化,高速化,節(jié)能化方向發(fā)展。狹縫波導作為一種具有高局域性,高強度的光子器件,受到科學家們的廣泛關注和研究,在傳感器、光學機械設備驅(qū)動和納米光子器件等領域具有重要潛在應用。本文首先分析表面等離激元的基本理論,討論了時域有限差分法和光波段的金屬色散模型,在此基礎上研究狹縫波導和V型溝槽波導的光傳輸特性,提出了一種有效提升光波導中光限域的方法,揭示了光柵對光耦合增強的作用本質(zhì)。提高介質(zhì)狹縫波導的光耦合作用通常采用增大納米線的介電常數(shù)或者減小狹縫區(qū)域內(nèi)的介電常數(shù)的方法,這種傳統(tǒng)方法雖然可以增強狹縫區(qū)域內(nèi)的電場,但是狹縫中的磁場并沒有得到相應增強。本文在兩根硅納米線的狹縫兩邊覆上了一層周期性銀膜,不僅可以顯著提高狹縫內(nèi)的電場強度,而且磁場也得到了有效的增強,從而狹縫內(nèi)的光能流提高了3倍。這種平行的金屬光柵結(jié)構橫向放置時,光場的增強隨著狹縫寬度的增大而逐漸減弱,隨著光柵間隙寬度的增大,狹縫內(nèi)電場先增加后減小,當光柵間隙寬度約為入射光波長的0.01倍時,電場增強最大。通過電磁場理論分析,發(fā)現(xiàn)當光柵間隙寬度約為0.01波長時,平行光柵的等效介電常數(shù)最小,導致光場耦合作用最強。平行金屬光柵縱向放置時,其光場增強作用表現(xiàn)出了不同的規(guī)律,隨光柵間隙寬度增大,狹縫內(nèi)電場增強逐漸減弱,當間隙約為5nm時增強作用開始失效。光場耦合最強時對應的光柵等效介電常數(shù)最小。在平行狹縫波導結(jié)構的基礎上,研究了V型溝槽波導的光傳輸特性,發(fā)現(xiàn)金屬光柵結(jié)構對溝槽內(nèi)的電場和磁場均有顯著增強,與平行狹縫波導光場增強規(guī)律一致。這種平行金屬光柵在入射光波的作用下產(chǎn)生表面等離激元,使狹縫區(qū)域內(nèi)的有效折射率降低,可以極大地增強光波導的光耦合作用。這種光耦合作用不僅可以適用于方形和V型光波導也可以應用在其他光波導中,在高限域光波導的設計中具有潛在應用。
[Abstract]:Modern optical devices are developing towards integration, high speed and energy saving. Slit waveguide, as a kind of photonic device with high localization and high intensity, has been widely concerned and studied by scientists in the sensor. Optical mechanical device driving and nano-photonic devices have important potential applications. In this paper, the basic theory of surface isopotons is analyzed, and the finite difference time-domain (FDTD) method and the metal dispersion model in optical wave band are discussed. On this basis, the optical propagation characteristics of slit waveguide and V-groove waveguide are studied, and an effective method to raise the optical limiting field in optical waveguide is proposed. The effect of grating on the enhancement of optical coupling is revealed. The method of increasing the dielectric constant of nanowires or decreasing the dielectric constant in slit region is usually used to improve the optical coupling of dielectric slit waveguides. Although this traditional method can enhance the electric field in the slit region, the magnetic field in the slit has not been enhanced accordingly. In this paper, a periodic silver film is coated on both sides of the slit of two silicon nanowires. Not only the electric field intensity in the slit can be significantly increased, but also the magnetic field can be effectively enhanced, thus the light energy flow in the slit can be increased by three times. The enhancement of light field decreases gradually with the increase of slit width. With the increase of grating gap width, the electric field in the slit increases first and then decreases, when the grating gap width is about 0.01 times of the incident wavelength. Through the theoretical analysis of electromagnetic field, it is found that when the gap width of grating is about 0.01 wavelength, the equivalent dielectric constant of parallel grating is minimum. When the parallel metal grating is placed longitudinally, the enhancement of the light field shows different laws. With the increase of the grating gap width, the electric field increases gradually in the slit. When the gap is about 5 nm, the enhancement begins to fail, and the equivalent dielectric constant of the grating is minimum when the light field coupling is strongest. Based on the parallel slit waveguide structure, the optical propagation characteristics of the V-shaped grooved waveguide are studied. It is found that the structure of metal grating increases the electric field and magnetic field in the grooves, which is consistent with the law of the enhancement of the optical field in the parallel slit waveguide. This kind of parallel metal grating produces surface isoexcitators under the action of the incident light wave. By reducing the effective refractive index in the slit region, the optical coupling of optical waveguides can be greatly enhanced, which can be used not only in square and V-shaped optical waveguides, but also in other optical waveguides. It has potential application in the design of high limit optical waveguide.
【學位授予單位】：北京化工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN252

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本文編號：1493197