用于金屬-絕緣體-金屬波導(dǎo)的光纖連接器設(shè)計和優(yōu)化
發(fā)布時間：2020-07-16 15:24
【摘要】：基于表面等離激元的納米波導(dǎo)能夠使光學(xué)系統(tǒng)突破衍射極限,可用于超分辨率光學(xué)成像,光通信和超高密度信息存儲等領(lǐng)域。金屬-絕緣體-金屬(MIM)結(jié)構(gòu)是表面等離子體納米結(jié)構(gòu)中最具潛力的,它能極大地減小納米聚焦過程中產(chǎn)生的損耗。但其本身存在問題:MIM波導(dǎo)的金屬部分通常吸收較強,因此其長度是有限制的;另一問題是表面等離激元的激發(fā)效率比較低。這使它難以應(yīng)用于實際的聚焦過程。針對MIM波導(dǎo)在納米聚焦中的問題,本文基于電磁理論和近場光學(xué)理論,提出了一種全新的連接器結(jié)構(gòu)——光纖-MIM波導(dǎo)連接器。它能將光纖纖芯與MIM波導(dǎo)相連,其原理是光纖中的電磁能量經(jīng)過連接器耦合進入MIM波導(dǎo),并最終在MIM波導(dǎo)中完成納米聚焦過程。本文的主要工作如下:(1)設(shè)計了光纖-MIM波導(dǎo)連接器。連接器由兩部分組成:一個“杯”形狀的結(jié)構(gòu),材料為光塑性環(huán)氧樹脂SU-8,其“杯”結(jié)構(gòu)供光纖纖芯插入;另一部分是在“杯”的背面緊貼著的一塊厚度為幾十納米的金屬屏,金屬屏上有矩形孔,供MIM波導(dǎo)插入。根據(jù)基本的電磁理論和近場理論,對連接器進行了理論分析,分析表明連接器具有高光學(xué)效率。在此基礎(chǔ)上,提出了一種可能的連接器制作方法。(2)針對設(shè)計得到的光纖-MIM波導(dǎo)連接器,利用時域有限差分法(FDTD)對其進行數(shù)值仿真,數(shù)值計算的結(jié)果符合理論預(yù)期:連接器在MIM波導(dǎo)中高效激發(fā)出了表面等離激元,能量耦合效率高。對于連接器的各個結(jié)構(gòu)參數(shù),我們設(shè)計了優(yōu)化策略,得到了最優(yōu)化的參數(shù)以及最高的能量耦合效率:在金屬屏厚度為50nm,采用鋁作為金屬屏材料時,連接器的能量耦合效率達到最大值79.5%;當(dāng)MIM波導(dǎo)接入連接器時,能量耦合效率更是高達83.7%。另外我們發(fā)現(xiàn),由于金屬屏的厚度大于表面等離激元的穿透深度,從MIM基座發(fā)出的背景輻射噪聲被大大削弱,這意味著MIM波導(dǎo)將不用通過增加長度的方式減小背景輻射的干擾。
【學(xué)位授予單位】：浙江工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN256
【圖文】：
用于金屬-絕緣體-金屬波導(dǎo)的光纖連接器設(shè)計和優(yōu)化3圖1-1 近場技術(shù)工作原理示意圖Figure 1-1. Schematric illustration of the principle of near-field technology1986 年，Harootanian 等人為了改進 SNOM 分辨率，用中空玻璃微導(dǎo)管代替實心石英棒作為 SNOM 的微探針。1991 年，betzig 等人用單模光纖代替玻璃微導(dǎo)管，成功研制了新型微探針，近場光學(xué)顯微鏡和掃描近場光學(xué)顯微鏡得以實現(xiàn)。圖 1-2是光纖探針的示意圖。圖1-2 光纖探針示意圖Figure 1-2. Schematic diagram of fiber probe
成功研制了新型微探針，近場光學(xué)顯微鏡和掃描近場光學(xué)顯微鏡得以實現(xiàn)。圖 1-2是光纖探針的示意圖。圖1-2 光纖探針示意圖Figure 1-2. Schematic diagram of fiber probe
體-金屬波導(dǎo)受到研究人員的關(guān)注，以至于成為表面等離子體納米結(jié)構(gòu)中最具潛力的一種。圖1-3 微帶探針示意圖[32]Figure 1-3. Schematic diagram of Microstrip probe[32]基于 MIM 波導(dǎo)的光學(xué)微探針可以稱為微帶探針（MP），這種微帶探針可以作為納米聚焦的針尖，能夠?qū)﹄姶拍芰窟M行納米聚焦（Nano-focusing）。圖 1-3 是微帶探針的示意圖。可以看出，從微帶探針的底部到頂端其寬度逐漸變小，目的是將電磁場能量進行聚焦。微帶探針尖端的尺寸可以是 10 納米數(shù)量級的，它的基模是準(zhǔn)00TM 模和準(zhǔn)02TM 模。基模與波導(dǎo)尺寸沒有強關(guān)聯(lián)，意味著微帶探針沒有截止頻率，因此電磁波能在探針尖端中輕易傳播而不發(fā)生顯著的衰減。
本文編號：2758172
【學(xué)位授予單位】：浙江工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN256
【圖文】：
用于金屬-絕緣體-金屬波導(dǎo)的光纖連接器設(shè)計和優(yōu)化3圖1-1 近場技術(shù)工作原理示意圖Figure 1-1. Schematric illustration of the principle of near-field technology1986 年，Harootanian 等人為了改進 SNOM 分辨率，用中空玻璃微導(dǎo)管代替實心石英棒作為 SNOM 的微探針。1991 年，betzig 等人用單模光纖代替玻璃微導(dǎo)管，成功研制了新型微探針，近場光學(xué)顯微鏡和掃描近場光學(xué)顯微鏡得以實現(xiàn)。圖 1-2是光纖探針的示意圖。圖1-2 光纖探針示意圖Figure 1-2. Schematic diagram of fiber probe
成功研制了新型微探針，近場光學(xué)顯微鏡和掃描近場光學(xué)顯微鏡得以實現(xiàn)。圖 1-2是光纖探針的示意圖。圖1-2 光纖探針示意圖Figure 1-2. Schematic diagram of fiber probe
體-金屬波導(dǎo)受到研究人員的關(guān)注，以至于成為表面等離子體納米結(jié)構(gòu)中最具潛力的一種。圖1-3 微帶探針示意圖[32]Figure 1-3. Schematic diagram of Microstrip probe[32]基于 MIM 波導(dǎo)的光學(xué)微探針可以稱為微帶探針（MP），這種微帶探針可以作為納米聚焦的針尖，能夠?qū)﹄姶拍芰窟M行納米聚焦（Nano-focusing）。圖 1-3 是微帶探針的示意圖。可以看出，從微帶探針的底部到頂端其寬度逐漸變小，目的是將電磁場能量進行聚焦。微帶探針尖端的尺寸可以是 10 納米數(shù)量級的，它的基模是準(zhǔn)00TM 模和準(zhǔn)02TM 模。基模與波導(dǎo)尺寸沒有強關(guān)聯(lián)，意味著微帶探針沒有截止頻率，因此電磁波能在探針尖端中輕易傳播而不發(fā)生顯著的衰減。
【參考文獻】
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1 龐紹芳;屈世顯;張永元;解憂;郝麗梅;;基于L形諧振腔MIM波導(dǎo)結(jié)構(gòu)濾波特性的研究[J];光學(xué)學(xué)報;2015年06期
2 王繼成;蔣亞蘭;王躍科;劉誠;唐寶杰;孫林;;基于MIM結(jié)構(gòu)等離子體波導(dǎo)定向耦合器[J];中國激光;2015年02期
3 童廉明;徐紅星;;表面等離激元——機理、應(yīng)用與展望[J];物理;2012年09期
本文編號：2758172
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