足球比分直播

基于复合微纳金属光栅-波导结构的双通道带通滤波器的设计.pdf

返回
基于复合微纳金属光栅-波导结构的双通道带通滤波器的设计.pdf_第1页
第1页 / 共54页
基于复合微纳金属光栅-波导结构的双通道带通滤波器的设计.pdf_第2页
第2页 / 共54页
基于复合微纳金属光栅-波导结构的双通道带通滤波器的设计.pdf_第3页
第3页 / 共54页
基于复合微纳金属光栅-波导结构的双通道带通滤波器的设计.pdf_第4页
第4页 / 共54页
基于复合微纳金属光栅-波导结构的双通道带通滤波器的设计.pdf_第5页
第5页 / 共54页
点击查看更多>>
资源描述:
基于复合微纳金属光栅被导结构的双通道带通滤波器的设计秀的双通道带通滤波器。类F.P共振、波导共振和sPPs模式间的耦合和相互作用是该双通道带通滤波器的形成机理,并通过分析入射角度对透射谱线双峰的影响来进一步验证。此外,将这一结构推广到二维复合微纳金属光栅一波导结构将实现非偏振的双通道带通滤波器。关键词表面等离子体激元;时域有限差分法;微纳光学滤波器;金属光栅万方数据大连理工大学硕士学位论文Design of Dual.band bandpass filterbased on micro-nallo compoundmetallic铲ating waVeguide structureAbstractWim廿le adV铋t of 11i曲一speed developiIlg info彻adon agc,me deII姗d for devices’miIliat嘣zation aIld inte伊ation is becoming morc a11d more s订ong in botll milita珂or civiliaIl丘elds.HoweVer,廿1e biggest obstacle of preSent mains仃e锄integrated circuit is“electronicbo砌eneck’’,which a【仃ibutes to tlle“physicallimits”iIl deVices,锄d me photollic inte擎ationis one ofⅡle most promising techn0109y to solve廿1e‘‘bottleneck”.The discove巧of surfIacepl锄0n pol撕tons,whose optical propenies are u11ique,op饥s up me cons仃aint狮d con仃01for photons丽m subwavelengtll metallic stmcture.Therefore,也e production aIld applicationof micro-nano devices,based on s耐.ace p1姗on pol积tons,laid恤e fmdation 0f photomcinte孕撕on,a11d is also becoming a hot spot in c1盯朗t sci饥tfic research,In廿1e a11alysis of nleoptical propertieS姐d印plications of micro-n如o devies,仃aditional scalar dimaction meorvare no lon萨r applicable,aIld tlle Vector dima曲on廿1eo叮must be applied.Ill t11is pap%廿1efillite-diff.erence time-domain metllod was used to aIlalvze the e描oct of a11 kiIlds of metalmat谢als on the ex仃aordilla巧optical胁1smission of metallic 2ratings, a11d t11即 asubwaVelengⅡl compound metallic 笋ating waveguide sn.ucture is present, whichd啪onstrates two栅lsmission peaks with a dip in-be附e锄at nom词incidence.The mainreSearch coments oftllis p叩er are 1isted as f01lows1.ARer reviewing柚d compafing V撕ous numerical aIlalysis memod of micro-naIlodeVices,a11d combining me unique s仃ucture of micro-naIlo metallic伊瞰ings and me researChneeds,娃le FDTD me也od waS ehoose as our也∞fetical research me也od.aIld也e com翔ercialFDTD Solutions w髂selected aS our n啪erical modeling tools.FDTD has has muchmore adVantages,such as strong commonality,direct calculatiOn in time domain,easy tomaster,suitable for parallel computing aJld hi曲accuray a11d so on.The algoritllIll of FDTD was deduced f而m cl硒sical MaXwelI’s equations.We also aIlalyse the dispersionpmperties of metal mat甜als where SPPs were excited arld several kinds of commonlv usednumerial modelLorentz model,Dmde model,a11d D11ldeLorentz model.Fillallv.thepar锄eter values in the DmdeLorentz model we adoped were given.2.111 View of the research g印that the eff.ect of metallic material propenies on theextraordinary optlcal traIlsmlssion in the micr0-nano metal 铲atings,we analyzed theinnuence of material properties of precious metalsAg,Au,Cu孤d non-preciou metalsCr,Ni,Wwhose dispersion rel撕ons were Dnldelorentz model on the eXtraordinary optical.III.万方数据苎王墨全塑垫全星堂堂笙塑塑堂堂塑鎏墨塑望堕 一_-______-II__lIll-一舡.肌smission in锄e dilIleIlsional metallic莎溉ngs.Num鲥cal reSults show tllat Ag,Au,Cushow eVen larger仃a11s枷tt柚ce peal【s due to botll a l arj旷effe嘶Ve S1its area aIld smaIIerabsorption w油me s锄e p撇eters;IIl the case of Ni and Cr,the仃眦smittance 1s r耵【uchsmaller due t0 absorption. m additioIl,by analyseing t11e spatial distribu乜ons ofelec仃oma鼬“c field in me values of peals锄d Velleys锄d comp肌ng me dlsperslonrel撕ons of SPPs孤d the relation be呐ecn廿le values of pe aI【s and Valleys aIld me penod otmetallic斟atings,we fiIld tllat SPPs modes sustained by me metallic咎atings are responslblefor me ex缸∞fdinaDr o∞cal缸锄Smission ph饥omcIlon.3.We pres饥t a s_ubwaVel吼gm coInpound metallic孕ating waveguide s价lctIlI‘e wmchc姐provide押o nI觚sInission peals with a dip in.be懈e∞at nonnal mcldence·1IIlIe grooVe mme desi辨ed s咖ctuI.e plays锄important role iIl tlle f-on[Ilation of t、Iro nan.ow baIldwidm柚d蛐出d印tll仃ansIllissi蚰peals.So me eXiStellce of grooVe makeS it an excell铋t c柚didate fordual-b蠲d baIldpass丘1ter.Mode coupHng a11d resonance 1m啪ctions am帆g three啪髑oIreson锄ce modeF-P like reson眦ce,waVe嘶de resonaIIce mode锄d SPP modes generate帆。仃aIlsmission pealcs.Such mechallism is嘶her confinIled by a11alyzing tlle innuence ofincidellt蠲me on廿1e t、Ⅳo仃锄smission peals.1t is also possible to realize tlle s讥lcture wlth a铆o。ditIl饥sional伊ating for applications tllat requn unp01撕zed ligllt.Key Words Surface PIasmon PolaritonsFin.te‘Di仟erence Time。Domain ;micronano opticaI fiIter;metaIIic gratingIV万方数据大连理工大学硕士学位论文目 录摘 要。IAbs仃aCt.III1 绪{仑11.1 引言.11.2表面等离子体激元的性质11.2.1表面等离子体激元的色散关系..2l。2。2表面等离子体激元的激发一41.3基于表面等离子体激元的微纳金属结构研究进展5l。3.1超强透射现象一61.3.2负折射率材料..71.3.3微纳光学天线..71.4表面等离子体激元在光子集成领域的发展现状91.5本论文的研究内容和论文结构.102微纳光子器件设计的数值分析方法122.1 微纳光子器件设计的数值分析方法综述.122.1.1光束传播法122.2.2有限元法132.1.3平面波展开法132.1.4时域有限差分法132.2时域有限差分法的基本算法.142.2.1 Ma【swell方程的基本离散形式及迭代公式.152.2.2计算区域及边界条件一l 82.3金属材料的色散属性和模型.203金属材料特性对金属光栅异常透射现象的影响233.1 引言.233.2计算模型与方法.233.3结果与讨论.243.4本章小结.334基于复合微纳金属光栅一波导结构的双通道带通滤波器344.1 引言344.2计算模型与方法.34万方数据基于复合微纳金属光栅.波导结构的双通道带通滤波器的设计4.3数值结果分析与讨论.354.4制作工艺.434.5本章小节.44结 论..45参考文献46附录A金属介电常数色散曲线Durde.LoreI她模型参数表eV.50攻读硕士学位期间发表学术论文情况..5l致 谢..52大连理工大学学位论文版权使用授权书..53万方数据大连理工大学硕士学位论文1绪论1.1 引言自1998年,EbbeseIl,T.W.课题组在国际知名期刊Nature上发表光波通过刻有周期性亚波长小孔阵列金属薄膜的异常透射Ex仃aordina巧0Iptical TraJlsmission,EOT现象【l】的实验文章后,表面等离子体激元Surface Plasmon Pol砷0ns,sPPs就因为其独特的光学特性,吸引着大量国内外光学领域的科学研究工作者【2-51。其主要原因在于,表面等离子体激元的发现,为人类开辟了用亚波长金属结构约束和引导光子的先河,使得超小型光学电路的实现成为可能。目前为止,工业生产中硅基集成电路生产技术己达45纳米,根据摩尔定律,在即将到来的2020年之前,其线宽就有可能达到10个纳米的“物理极限”,解决这一“电子瓶颈”迫在眉睫,光子集成技术便是最有潜力的技术之一。各类光子集成芯片器件已经在被开发和应用,如光通信领域中的光子晶体光纤激光器、光子晶体面发射激光器、光子晶体光纤;还有光子晶体LED技术、光子晶体滤波器以及太阳能电磁等,但元件尺寸还在毫米厘米量级,因此以微纳金属结构光子器件为基础的光子集成技术,得到世界各国尤其是发达国家的极大关注。SPPs能够突破衍射极限在纳米尺度有效控制光子的传播,且能够实现纳米尺度的电磁能量局域增强,这两个独特的光学特性,使得其在微纳传感探测、微纳器件设计集成等技术中有着极大的潜在应用价值。基于表面等离子体激元的应用研究,起源于近场光学,成长于纳米技术的发展。新兴的表面等离子体激元光子学以SPPs作为信息载体,以微纳金属结构为SPPs的主要存在环境,主要研究SPPs与亚波长微纳金属结构的相互作用机制及其应用等问题。该领域的研究及金属微纳结构的采用,使得之前很多技术都难以实现的器件性能都实现突破,如超小超高灵敏度的传感器[引、极小光开关[71、用于光信号处理的精细滤波器[8】、小巧型全光存储器[9]等。综上所述,微纳结构中的表面等离子体激元的特殊光学特性的研究及其应用,将在器件微型化、低损耗、超快响应等技术性能方面取得突破性进展,并随着微纳米制作工艺的不断提高,实现纳米尺度光子集成指日可待。1.2表面等离子体激元的性质表面等离子体激元surface P1asmon Pol撕tons,sPPs是局域在金属和介质界面,像波一样传输的电磁激发,它的振幅随远离界面的距离增加而呈现指数衰减[10】,如图1.1a所示。由于sPPs的电磁场局域在纳米尺度的金属和介质界面附近,因此通过有效激发并应用sPPs,可以得到明显的电磁场增强,如此一来,sPPs的激发和场分布就对表面万方数据基于复合微纳金属光栅_波导结构的积通道带通滤波器的设计情况如界面形态变化、两种材料的介电常数等非常敏感。另外,sPPs是一种倏逝波,因此包含很多近场结构信息,被广泛应用于光学成像】、生物化学传感检测呲1w等领域。‘ 介质层渝燃.1v\0匹金属层图1 laTM偏振光入射时,半无限大金属和介质面上sPPs的电磁场分布”sPPs的色散关系,BPP为相应体积等离子的色散关系,1和11分别表示光在真空中和介质中的色散关系,∞P和‰分别是相应体积等离子体共振频率和表面等离子体共振频率。F19 1 l曲The el∞Ⅱ0Tlla鲫Hlc 6eld msmunmH ofsu血ce一㈣wavcs h血e lnIe如ceof in如lk metal曲d m鲥啪如r TM p01邮zed lncld蜘t ll蛳b11le d1岬ionreI撕onSofsurface pla蛐on wavcs,BPP衙mecorIesp∞ding幽sp删on relat㈣f plasma,I andIlnp∞scnt me dispeBi帅rdati0Ⅱs证avacuum alld in me m酣lf light,伸spedlvely吐锄d o‘w‘印res朗t m㈨o蚰nI f}equ即cy of㈣sp锄小“g plasma蚰d the f}铷uency ofsumceDla蛐a㈣Ⅲ1 2 1最面等禹于体藏兀的色散关系金属和介质中的Maxweu方程组为v。厅塑扰v。豆一塑V巨岛Vf‘丘1oV豆凰Vf“扈1o万方数据大连理工大学硕士学位论文其中,扛m,d分别对应金属和介质情况,氏和鳓分别是真空中的介电常数和磁导率。Ma【well方程组有两类解s偏振TM波解和pTE偏振波解。对于TM入射波磁场分量与界面平行,金属和介质中的磁场和电场有如下形式解‘14】玩o,‰,oeXp[fkx乞。z一∞f]磊k,o,吃eXp[fkx恕。z一研]或o,‰,oexp[f屯x一匕z一耐]茸o,‰,oexp[f%xkz一耐]1.2其中,彩是入射光的角频率,‰k,o,k和毛k,o,匕分别是金属和介质中的波矢。由电磁场在界面处的连续性,得‰%,日。日埘。带入式1.2得,发现金属和介质中的波矢在x方向的分量存在等式关系‰k%,~是sPPs的波矢,将形式解带入MaXwell方程组得匕‰叫c毛%20 l 1-3k日。一叫c气kol 、’利用上述连续性方程,可得到边界条件如下%/白k/‰o 1.4同时也是SPPs存在的必要条件,所以,当SPPs在两种材质的界面传播时,其介电常数的符号必须满足符号相反s印白一s印氏 1.5根据连续性条件,材质中总的波矢为酵砀十砖毛叫c2 1.6sPPs的波矢~与频率∞之间的依赖关系,即色散关系为%詈压‰ ‰~ 1.7其中,%是介质的折射率,‰是金属的介电常数,‰是电磁波的波矢r刀卿是sPPs的有效折射率,如图1.1b所示[1 51。图中,曲线sPP表示的是表面等离子体激元的色散关系,BPP表示的是相应体积的等离子体色散关系,虚线I和11分别表示光在真空中和介质中的色散关系,国,和‰分别是相应体积等离子体共振频率和表面等离子体共振频万方数据基于复合微纳金属光栅嫩导结构的双通道带通滤波器的谢十率。从图中可以看出,真空中色散关系∞哦和介质中的色散关系oc‰/√白都呈现出线性关系;且当频率较小时,sPPs波沿金属和介质界面传播时的色散关系与介质包括真空中的色散关系相差不大,但当频率增加到接近等离子体震荡频率时,sPPs波的波矢比同频率的光波矢要大,这就说明,在高频阶段,特别是在红外和可见光波段,sPPs波无法与入射波发生耦台。sPps波有两个明显的特点一是沿金属表面的波矢量增大,同时垂直方向的波矢量变成虚数,所以sPPs波只能局域在金属表面附近极小的区域内;二是具有比同频率光波更短的波长。因此可以用于提高分辨率。要实现入射光波与sPPs发生耦合,就必须使sPPs波和入射光波的动量匹配。同时,界面处sPP的激发,需要两种介质的介电常数必须满足符号相反,而金属材料很容易满足这个条件。此外,从sPPs的有效折射率表达式’‰%/k√矗矗/白矗可以看出,当金属介电常数的实部和介质的介电常数数值接近时,H,。将变大,这说明,合理的选择两种介质,就可以在这两种介质的界面处激发波长比真空中小得多的sPPs波。1 2 2表面等离子体激元的激发为使入射的TM光波在金属与介质的界面处激发sPPs波,入射光的频率必须与sPPs波的频率相同。而从前面讲述的sPPs波的色散关系可以看出,sPPs波的波矢比介质中包括真空中的波矢要大,这说明,在金属平面不可能直接激发sPPs,而要通过特殊的结构,来满足波矢补偿,即增大同频率光的波矢,才能激发sPPs。经研究发现,有三种常用技术可以实现波矢补偿,解决sPPs波与光动量匹配问题。第一种是通过棱镜耦合来增加入射光的动量;第二种是采用金属表面的周期性波纹;第三种是利用金属表面拓扑缺陷,如亚波长的凸起或沟槽。影匿圈1 2 sPPs渡的激发方式aKrd鼬mann结构.b光栅衍射,c表面结构衍射F罾j 2 ThecxcllcdmelhodofsPPs waveaK他慨hmann sInlcmm,【bTheoptlcaldlfnctm of∞lmgcTheop“cal dtf‰Ilonofsumtmcmms万方数据大连理工大学硕士学位论文到目前为止,人们已经设计出多种特殊的实验装置来实现SPPs波和波矢量的匹配,如图1.2所示。在经典的lmtschm锄棱镜结构中,入射光波必须以大于棱镜材料全内反射临界角的入射角穿透介质棱柱棱镜,然后照射在金属薄膜上,此时光波矢在光密介质中加大,如图1.2a所示。当入射角臼刚好使得SPPs波在金属和空气界面上的波矢与棱柱棱镜中的光波矢成分相等时,光波发生共振隧穿到达金属薄膜,与sPPs发生耦合[16】k√%sin口 1.8其中,白表示棱柱棱镜的介电常数。当共振发生时,且光和SPPs波的耦合效率达到100%时,在金属和棱镜棱柱的界面处会发生SPPs波的电场局域增强,反射谱中会出现一个极小值。另一种实现SPPs波与光波动量匹配,进而激发sPPs波的方式是利用衍射效应。如图1.2b所示,在金属薄膜一侧刻有光栅条纹,衍射光成分的波矢与sPPs波矢匹配将发生耦合,而形成表面等离子体共振su渤ce Plasmon Resonallce,SPR。当入射光照射到金属光栅的表面时,便会发生衍射现象,若衍射光中的某一阶衍射波矢在界面处的投影刚好与SPPs波匹配时,就会发生SPR。周期性结构发生的衍射提供了波矢量守随,与SPPs波发生耦合【1。7】.己詈嘞sin暖嚷±p鲁尾±g鲁风 1.8。 一J ~V其中,吒1和。分别对应p偏振光和s偏振光。%是介质的折射率。乃n,是入射光波矢的面元单位矢量,乃。和西。为周期性结构在周期性方向的单位矢量,D是金属光栅周期,p和g是沿两个周期性方向传输的激发SPPs波有关的整数。若金属薄膜厚度和光栅构型合适,此结构能够有效耦合空气.金属和基底.金属SPPs模式。此外,在任意粗糙的表面上,当近场所有光波矢的衍射成分都出现时,也有激发SPPs波的可能,如图1.2c。但存在的问题是,随机粗糙造成的不明确sPPs波激发条件导致光波与SPPs波耦合效率低。当有金属衍射光栅时,由于金属薄膜表面的的缺陷,就能在薄膜的两个界面处激发SPPs波。1.3基于表面等离子体激元的微纳金属结构研究进展表面等离子体激元引发的新颖光学现象及其应用可以归纳为以下几个方面1超强透射现象Ex打aordinary optical transmission,EOT;2微纳光学天线;3生化传感;4表面等离子体极化波导5特异材料负折射率、超衍射极限的高分辨率成像等,下面我们简单介绍一下超强透射现象、负折射率材料和微纳光学天线。万方数据
展开阅读全文
收藏
下载资源

加入会员免费下载





足球比分直播