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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

【摘要】:随着高速信息时代的到来,各种军用或民用领域对于微型化、集成化器件的需求越来越强烈,而现阶段主流的集成电路由于“物理极限”而存在“电子瓶颈”。而光子集成便是解决这一“瓶颈”最具有潜力的技术之一。表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs),由于其独特的光学特性,开辟了人类用亚波长金属结构约束和控制光子的先河。因此,基于表面等离子体激元的微纳器件的制作和应用,作为光子集成的基础,成为时下科学研究的热点。在分析微纳器件的光学特性和应用时,传统的标量衍射理论已不再适应,必须应用矢量衍射理论。本文主要应用时域有限差分法分析了各种金属的材料特性对金属光栅的异常透射现象的影响,在金属光栅的基础上,提出一种复合微纳金属光栅-波导结构的双通道带通滤波器,金属光栅中矩形凹槽的引入及与波导层的结合,使该滤波器能够实现实现高透射率、窄半峰宽度的双通道透射。本论文的主要研究工作如下:1.综述比较各种微纳器件数值分析方法后,结合微纳金属光栅独特的结构和研究需求,选定时域有限差分法作为我们的理论研究方法,并以商用软件FDTD Solutions作为我们数值建模分析的工具。时域有限差分法具有直接在时域计算、通用性强、简单易掌握、适合并行运算和高精度等特性。从经典的麦克斯韦方程出发,推导时域有限差分法的算法实现,并分析作为SPPs存在环境的金属材料的色散属性,及几种常用的数值模型:Lorentz模型、Drude模型、Drude-Lorentz模型,最后给出我们数值计算中采用的各种金属材质在Drude-Lorentz模型中参数值。2.鉴于现阶段金属材料特性对金属光栅中异常透射现象影响的研究空白,我们分析了以Drude-Lorentz模型为色散关系的各种贵金属Ag、Au、Cu)和非贵金属材料(Cr、Ni、 W)及金属A1的材料特性对一维金属光栅的异常透射现象的影响。数值分析发现,Ag、 Au、Cu等贵金属光栅相比于Cr、Ni、W等非贵金属光栅,在结构参数相同的条件下,由于较大的有效缝宽度和较小的吸收,表现出极高的透射峰值。此外,通过各个波峰和波谷位置波长处的电磁场空间分布的分析及波峰和波谷位置波长随金属光栅周期的变化与SPPs散射曲线的对比发现,金属光栅的异常透射增强现象与表面等离子体激元的激发有密不可分的关系。3.以微纳金属光栅为基础,提出一种复合微纳金属光栅-波导结构的双通道带通滤波器。该结构能够在TM光正入射时,实现高透射率、窄半峰宽度的双通道透射。通过数值建模分析,我们发现:在金属光栅上表面中央位置处矩形凹槽的引入,使得透射谱线中的双峰具有极窄半峰宽度和极深透射深度的特性。因此,矩形凹槽使它成为一种优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-波导结构将实现非偏振的双通道带通滤波器。

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