低色散低損耗表面等離子體慢光波導的理論研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、本論文主要對基于金屬-介質(zhì)-金屬等離子體結(jié)構的相關器件和機理進行研究。設計了具有低色散的慢光波導和具有高品質(zhì)因數(shù)的諧振腔。提出了補償傳輸損耗、延長傳輸距離的方法。實現(xiàn)了大帶寬延遲積。本研究工作對于推動以表面等離子體為基礎的光集成系統(tǒng)的發(fā)展和應用具有重要的意義。 本論文的主要研究內(nèi)容如下: 第一章為文獻綜述,主要對本課題所涉及的相關理論知識和研究背景做了綜合的介紹。首先簡單介紹了表面等離子體光子學的含義與應用領域,闡述了表

2、面等離子體的基本概念和相關特性,并對典型的波導結(jié)構和傳輸損耗解決方案進行了總結(jié)。其次,對慢光的群速、色散、脈沖失真等指標做了說明。最后,對參量增益過程的原理進行了理論分析。 在第二章中,我們設計了基于表面等離子體的低色散慢光波導,并對其色散關系、場分布、時域功率譜等光學特性進行了詳細的分析。數(shù)值實驗的結(jié)果表明,通過將工作頻率點設置在色散曲線中適當?shù)念l率范圍內(nèi),此金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構波導可以在支持慢光傳輸?shù)耐瑫r,將群速度色散所帶來

3、的脈沖失真抑制到可以容忍的程度。此波導可以用于具有高比特率容量的慢光系統(tǒng)中。 在第三章中,我們設計了基于第二章中所提出的直波導的高品質(zhì)因數(shù)諧振腔,并對共振態(tài)的場分布、諧振腔長度與共振態(tài)頻率和共振態(tài)品質(zhì)因數(shù)之間的關系等進行了分析。數(shù)值實驗的結(jié)果表明,在非零波矢處具有零群速度點的直波導導??梢杂脕硖岣呔哂邢嗨平Y(jié)構的諧振腔的品質(zhì)因數(shù)。隨著諧振腔長度的增加,共振態(tài)頻率將逐漸收斂于零群速度頻率點處。此諧振腔是具有亞波長尺寸的光學微腔,具有

4、重要的價值。 在第四章中,我們提出一種參量增益方案,用以補償在金屬-介質(zhì)-金屬等離子體波導中慢光傳輸?shù)膿p耗。利用波導中反對稱TM模的獨特性質(zhì),并引入非線性材料作為光學參量放大的增益介質(zhì),導模的傳輸距離得到了較大的提升(100%)。這一補償金屬材料中吸收損耗的機制,為設計更復雜的納米等離子體器件打下了基礎。 在第五章中,我們對第四章中所提出的參量增益損耗補償方案進行了改進,并對兩種方案在頻域上進行了比較和分析。數(shù)值實驗的結(jié)

5、果表明,改進后的方案對信號光具有更好的放大效果。通過超慢光(0.005c)對非線性效應的放大作用,信號光的傳輸長度得到了更大的提升(400%)。 在第六章中,我們分析了限制帶寬延遲積提高的幾個主要因素。利用金屬-介質(zhì)-金屬波導色散曲線的可調(diào)節(jié)性,可以在多個頻段上獲得大的帶寬延遲積。 在第七章中,我們對介質(zhì)-金屬-介質(zhì)波導的結(jié)構參數(shù)與其色散曲線之間的關系進行了研究。通過恰當?shù)脑O置金屬層的厚度和介質(zhì)層的介電常數(shù),可以獲得想要

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