金属纳米腔耦合波导中类EIT效应的研究

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随着信息需求的爆发式的增长和信息社会的不断发展,对高信息密度、快速信息处理和高集成技术的要求越来越高。与电子器件相比,光子器件有着不可比拟的传输优势,即处理速度和传输带宽高出电子器件2个数量级以上,但受衍射极限的影响,其尺寸限制在微米量级,无法达到电子学的纳米尺度。表面等离子激元(Surface Plasmons Polaritons,SPPs)的发现有效地解决了这一科研难题,成为新的纳米光子学研究热点之一。SPPs是金属表面自由电子与入射光子相互耦合产生的一种垂直于金属表面方向并向前传播的电磁波模式。由于SPPs具有突破衍射极限的突出优势,以及在纳米尺寸范围局限电磁场能量的能力,已发展成为高度集成的纳米光子器件中的最佳信息载体。金属纳米波导具有对光场强的局限性,简单且易于高度集成等优点,已成为SPPs研究中的一个重要的研究方向。类电磁诱导透明(Electromagnetically Induced Transparency,EIT)现象是金属-介质-金属(Metal-Insulated-Metal,MIM)中可实现的新颖光学特性,可应用于高性能的光子滤波器和慢光器件。本文提出了一种基于单齿腔和圆盘腔中类EIT效应的新构想,并数值模拟了一个高透过率、窄半最大值全宽度(Full Widthat Half Maximum,FWHM)、强慢光效应、透过率特性在较大范围内的连续可调的类EIT高性能金属纳米滤波器,对促进纳米光子学器件的发展起到了积极的推动作用。  本论文的主要研究内容如下:  (1)简要介绍了SPPs光学的发展历史。从Maxwell方程组和经典的电磁场理论出发,分析了SPPs的光学性质。  (2)从理论上分析了基于时域有限差分法(Finite-Difference Time-DomainMethod,FDTD)的数值模拟方法的基本原理、完美匹配层(PerfectlyMarched Layers,PML)边界条件和数值模拟的稳定性条件。  (3)理论分析了MIM纳米波导的基本光学性质,介绍了类EIT效应,及类EIT效应的研究现状。  (4)对单腔耦合(单齿腔)和双腔耦合(单齿腔和纳米盘腔)两种理论模型利用时域耦合模理论进行了详细地分析。然后,对两种金属纳米耦合腔波导结构用2D FDTD方法进行了数值模拟,模拟结果与理论分析吻合。  (5)对该结构的透过率特性与其几何参数进行了深入的研究,得到了一个综合纳米盘半径、单齿腔与纳米盘腔的耦合距离和偏移长度的大范围可调节的系统。分析了该系统的慢光效应,并调查了群指数与结构的几何参数的关系,实现了群指数在大范围内可灵活调节且具有较好慢光效应的金属纳米耦合波导腔器件。
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