文档介绍：上海交通大学
硕士学位论文
低色散低损耗表面等离子体慢光波导的理论研究
姓名:韩博
申请学位级别:硕士
专业:通信与信息系统
指导教师:姜淳
20090201
摘要
低色散低损耗表面等离子体慢光波导的理论研究
摘要
本论文主要对基于金属-介质-金属等离子体结构的相关器件和机理进行研究。设计
了具有低色散的慢光波导和具有高品质因数的谐振腔。提出了补偿传输损耗、延长传输
距离的方法。实现了大带宽延迟积。本研究工作对于推动以表面等离子体为基础的光集
成系统的发展和应用具有重要的意义。
本论文的主要研究内容如下:
第一章为文献综述,主要对本课题所涉及的相关理论知识和研究背景做了综合的介
绍。首先简单介绍了表面等离子体光子学的含义与应用领域,阐述了表面等离子体的基
本概念和相关特性,并对典型的波导结构和传输损耗解决方案进行了总结。其次,对慢
光的群速、色散、脉冲失真等指标做了说明。最后,对参量增益过程的原理进行了理论
分析。
在第二章中,我们设计了基于表面等离子体的低色散慢光波导,并对其色散关系、
场分布、时域功率谱等光学特性进行了详细的分析。数值实验的结果表明,通过将工作
频率点设置在色散曲线中适当的频率范围内,此金属-介质-金属结构波导可以在支持慢
光传输的同时,将群速度色散所带来的脉冲失真抑制到可以容忍的程度。此波导可以用
于具有高比特率容量的慢光系统中。
在第三章中,我们设计了基于第二章中所提出的直波导的高品质因数谐振腔,并对
共振态的场分布、谐振腔长度与共振态频率和共振态品质因数之间的关系等进行了分
析。数值实验的结果表明,在非零波矢处具有零群速度点的直波导导模可以用来提高具
有相似结构的谐振腔的品质因数。随着谐振腔长度的增加,共振态频率将逐渐收敛于零
群速度频率点处。此谐振腔是具有亚波长尺寸的光学微腔,具有重要的价值。
在第四章中,我们提出一种参量增益方案,用以补偿在金属-介质-金属等离子体波
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摘要
导中慢光传输的损耗。利用波导中反对称 TM 模的独特性质,并引入非线性材料作为光
学参量放大的增益介质,导模的传输距离得到了较大的提升(100%)。这一补偿金属材
料中吸收损耗的机制,为设计更复杂的纳米等离子体器件打下了基础。
在第五章中,我们对第四章中所提出的参量增益损耗补偿方案进行了改进,并对两
种方案在频域上进行了比较和分析。数值实验的结果表明,改进后的方案对信号光具有
更好的放大效果。通过超慢光()对非线性效应的放大作用,信号光的传输长度得
到了更大的提升(400%)。
在第六章中,我们分析了限制带宽延迟积提高的几个主要因素。利用金属-介质-金
属波导色散曲线的可调节性,可以在多个频段上获得大的带宽延迟积。
在第七章中,我们对介质-金属-介质波导的结构参数与其色散曲线之间的关系进行
了研究。通过恰当的设置金属层的厚度和介质层的介电常数,可以获得想要的慢光特性。
不同表面等离子体波导传输损耗之间的比较表明,介质-金属-介质波导由于对金属中传
播能量的消减,拥有最长的传输长度。
第八章对全文的结论和创新点进行了总结,并提出了未来的研究方向。
关键词:表面等离子体,慢光,品质因数,传输距离,带宽延迟积
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ABSTRACT
Theoretical Research on Low-dispersion and Low-loss Plasmonic
Slow-light Waveguides
ABSTRACT
This dissertation studies the devices and mechanisms which are based on
metal–insulator-metal (MIM) structures. We have designed a low-dispersion slow-light
waveguide and a high-Q resonant cavity, proposed a method pensate losses and extend
propagation distance, and realized large delay-bandwidth products (DBPs). These
achievements could lead to a number of important fundamental and technological advances in
the field of plasmonics.
This dissertati