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基于SPPs波导的光学特性研究

作 者: 樊艳娜
导 师: 蔡祥宝
学 校: 南京邮电大学
专 业: 光学工程
关键词: 表面等离子体激元 Drude模型 时域有限差分法 SPPs干涉理论 光开关
分类号: TN252
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
下 载: 14次
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内容摘要


表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是束缚在金属/介质界面的一种电磁波模式,具有透射增强、亚波长局域等特点,使得在亚波长尺度的金属结构中对光场实现局域化和导波成为可能,从而为提高光子器件的集成度带来了新的契机。近几年,金属介质亚波长SPPs波导成为一个研究热点,被认为是实现光电纳米集成的主导技术。论文首先介绍SPPs基本理论,包括色散特性、特征参数、激发方式等相关物理机制,这是进行SPPs相关研究的理论基础;接着对金属Drude模型以及分析SPPs模场分布的FDTD数值计算方法做了详细介绍,这对进行SPPs器件研究具有重要意义。在此基础上,本文对以下问题作了重点研究:1.构造了金属三角形结构,利用FDTD方法模拟了光照射此结构激发SPPs的情况,观察并分析了SPPs的传播过程。2.研究了金属/介质界面SPPs的干涉理论,推导了金属三角形结构SPPs干涉相消条件,并在FDTD仿真实验中观察到了此干涉相消现象。3.在对SPPs激发和干涉理论深入研究的基础上,设计了基于三角形的光控光开关器件,利用信号光和调制光所激发的SPPs的干涉相消作用,实现了对光的控制。整个结构尺寸仅为1.8 m m′1m m ( x′z方向) ,消光比约为23 dB ,开光时间仅为0.9 fs。基于SPPs的光开关可以在小于衍射极限的亚波长范围内实现对光的控制功能,可应用于高速大容量的光纤通信系统中,是未来集成光器件的重要研究方向。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第一章 绪论  8-14
  1.1 表面等离子体激元的研究背景  8-9
    1.1.1 近场光学  8-9
    1.1.2 研究历史  9
  1.2 表面等离子体激元的优异特性  9-10
  1.3 表面等离子体激元的应用前景  10-12
  1.4 本课题的研究意义  12
  1.5 本论文的结构安排  12-14
第二章 表面等离子体激元的基本理论  14-26
  2.1 表面等离子体激元的色散关系  14-17
  2.2 表面等离子体激元的特征长度  17-19
  2.3 表面等离子体激元的激发方式  19-22
  2.4 金属的光频特性  22-25
    2.4.1 Drude 模型  22-23
    2.4.2 金属参数  23-25
  2.5 本章小结  25-26
第三章 数值模拟方法  26-35
  3.1 时域有限差分法的基本原理  26-31
  3.2 时域有限差分法的吸收边界条件  31-32
  3.3 数值色散和稳定性条件  32-33
  3.4 时域有限差分法常用的激励源  33-34
  3.5 本章小结  34-35
第四章 SPPs 的激发及波导器件的特性研究  35-56
  4.1 近场激发及SPPs 存在判断方法  35-36
  4.2 三角结构SPPs 激发的特性分析  36-43
    4.2.1 顶角 SPPs 的激发  37-41
    4.2.2 底角 SPPs 的激发  41-43
  4.3 SPPs 的干涉理论  43-48
    4.3.1 单个三角形的 SPPs 干涉  43-46
    4.3.2 对称三角形的 SPPs 干涉  46-48
  4.4 SPPs 光开关器件的设计  48-50
    4.4.1 开关结构  48-50
    4.4.2 工作原理  50
  4.5 数值仿真及结果分析  50-53
    4.5.1 无调制光仿真结果  51-52
    4.5.2 加调制光仿真结果  52-53
  4.6 光开关的性能分析  53-55
  4.7 本章小节  55-56
第五章 总结和展望  56-58
  5.1 论文工作总结  56
  5.2 研究展望  56-58
致谢  58-59
参考文献  59-62
硕士研究生期间发表论文  62

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 波导光学与集成光学 > 光波导
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