脊背型介质加载表面等离子体波导传输特性研究

为降低传输过程中的损耗,加强介质加载等离子体波导的模式场约束,并且优化等离子体波导的传输性能,对基于介质加载的表面等离子体波导的传输特性做了进一步的研究,设计了一种脊背型介质加载等离子体波导,并对其模式场分布及其传输参数随波导中的几何参数与电磁参数的变化关系做了相应的研究。仿真结果得出:基模的电场分量主要分布在该结构的金属/介质层1界面。该模式的传输特性,随着该波导的几何参数的变化而发生相应改变,因而可以通过改变这种结构的几何参数,对场实现有效控制,使其局域性明显增强。     

半导体增益介质对MSM 等离子体波导的传输损耗补偿研究

为了深入地研究在紫外波长范围内利用增益介质补偿等离子传输损耗,设计了具有半导体增益介质的金属-半导体-金属（Metal-Semiconductor-Metal,MSM）等离子体光波导结构。基于时域有限差分法（FDTD）,对该波导结构的传输损耗、有效折射率随几何结构的依赖关系进行了分析。进一步研究了利用II-VI 族半导体ZnO 作为增益介质时的无损传播条件。结果表明,当ZnO 宽度为80 nm 时,MSM 等离子波导可以实现紫外波长范围的无损传播;当ZnO 宽度大于80 nm 时,传播增益明显大于损耗,可以实现等离子极化波的传播放大,为表面等离子体基元纳米激光器技术提供理论依据。     

基于有源介质的增益辅助无损耗混合表面等离子体波导

设计了一种基于有源介质的增益辅助无损耗条形 混合表面等离子体 波导。利用有限元算法,理论分析了混合表面等离子体波导在通信波段的传输特 性。结果表明,此波导在突破衍射极限的亚波长光场限制下可实现约10μm的 传输长度。在混合表面等离子体波导中引入泵浦增益后,可以实现光信号的无损 耗传输,从而实现在亚波长光场限制下的无限长传输。此类混合表面等离子 体波导兼具结构简单和易于制备等优点,在光 互联、光子集成电路、光通信和光信息处理等方面有重要的潜在应用。     

双层介质加载等离子体微环的高灵敏生物传感

为了提高介质加载表面等离子体的传输距离,提出了基于双层介质加载的表面等离子体波导结构。利用有限元方法研究了介质加载的表面等离子体波导的模场分布及传输特性,并对其传感应用的波导灵敏度进行了分析。研究表明, 当低折射率介质厚度占波导总厚度的33%时,传输距离是单层介质加载表面等离子体波导的2.4倍。利用该波导结构组成的微环谐振腔被用于生物传感研究,其传感特性分析表明,传感灵敏度为411 nm/RIU,检测极限为1.210-5 RIU。双层混合介质加载表面等离子体波导的设计和研究为其进行无标记生物传感应用提供了有价值的指导。     

介质加载石墨烯等离子体波导传输特性北大核心CSCD

设计了一种介质加载石墨烯等离子体波导,研究了不同结构尺寸的波导模场分布及传输特性。仿真结果表明,当石墨烯的化学势为0.7eV、波导脊宽度和脊高度均为1000nm时,介质加载石墨烯等离子体波导的模式宽度达到最小值1.55μm,传播长度达到43.47mm。该介质加载石墨烯等离子体波导不仅可以满足波导设计的要求,也为纳米器件的长距离传输提供了可能。     

混合双肋型表面等离子体波导的传输特性

设计了一种新颖的混合双肋型表面等离子体波导结构,基于有限元法对该波导在工作波长为1550nm下的传输特性进行了数值仿真和优化分析。研究了该结构的电场分布、传输损耗、归一化模场面积、品质因子和增益系数。结果表明,通过最优参数设计,有效模场面积可达1.5×10~(-4)λ~2,品质因子为135,增益系数为1286cm~(-1),且此时具有较小的损耗。与矩形金属脊混合波导结构相比,所设计的结构具有更强的光场限制能力,可以获得更好的波导传输效果。所设计的波导结构是未来解决光电技术高速化、小型化、集成化的一个重要途径。     

条形介质加载型表面等离子体波导传输特性的研究

采用二维时域有限差分(FDTD)法,分析对比了 介质-金属(IM)结构和金属-介质-金属(MIM) 结构波导对光波传输特性的影响,以及通过对IM结构的尺寸、折射率进行优化得到最佳传 输长度。数值 结果表明,IM结构波导能使光波传输距离更长。对IM波导结构研究发现,当介质层厚为 300nm,金属 层厚为200nm时,传输效果最佳。基于这个参数的IM结构,计算介质 层折射率对IM波导光传输特性的影响发现,介质层折射率为1.5时, 在模场约束较好的情况下,传输损耗降低,表面等离 子体波的传输长度最长。整体优化后的条型波导可以实现最大传输距离为37μm。这一设计和优化波导结构 参数的方法不仅拓宽了介质加载型表面等离子体激元(SPP)波导结构的理论基础,在纳米光 学集成器件研究上也具有一定的应用潜能。     

带有增益介质包层的两个平行圆柱形纳米金属棒构成的表面等离子体光波导的数值模拟

设计了一种带有增益介质包层的两个平行圆柱形纳米金属棒构成的表面等离子体光波导,基于频域有限差分法,对这种波导所支持的基模的能流密度分布、有效折射率、传播长度和模式面积随几何结构参数和电磁参数的依赖关系进行了分析。结果表明,沿纵向的能流主要分布在两个圆柱形金属棒所形成的中间区域。通过调节这种波导的几何参数及电磁参数,可以调节模式的传播特性。在增益介质的辅助下,传播距离明显增大。这种表面等离子体光波导可以用于光子器件集成领域和传感器领域。     

基于混合表面等离子体波导的纳米激光器

提出了一种基于混合表面等离子体波导(HPW)的纳米激光器,并对其进行了理论研究和仿真分析。此结构通过金属-介质界面的表面等离子体模式与高增益介质半导体纳米线波导模式耦合,使中间的空气间隙场强得到显著增大,并保持低损耗传输,实现对输出光场的深亚波长约束。通过对几何参数进行优化,得到具有较小阈值和较高品质因数的纳米激光器。与边缘耦合混合表面等离子体纳米激光器比较可知,当二者的几何参数相同时,基于HPW的纳米激光器具有更小的阈值。     

带有对称三角肋的混合表面等离子体波导

设计了一种金属三角肋和增益介质三角肋完全对称并带有圆柱形空气缝隙的新型混合等离子体波导结构。采用COMSOL Multiphysics软件,分别仿真了波导的二维和三维耦合电场分布模型,并基于有限元法分析了波导的模式特性。研究结果表明:当工作波长为1550 nm时,设计的波导结构具有很强的光场约束能力、超长的传输距离、超低的传输损耗和增益阈值。对波导的结构参数进行了优化,当波导的有效模场面积达到0.0022λ~2时,波导的传输距离能够达到69805 nm,传输损耗低至0.0017;基于此波导的激光器也具有很低的增益阈值,为49.3 cm~(-1)。最后研究了实际制备过程中可能出现的制作误差对波导性能的影响,并分析得出此波导结构对制作误差具有较高的容忍度。与同类型带有空气缝隙的波导结构相比,此波导的综合性能更优,在各种集成纳米光子设备中具有很大的应用潜力。     

具有高模场限制的异质纳米棒结构波导(英文)

现代光学及纳米光学的一个主要发展趋势是从理论和实验两方面探究用于突破传统衍射极限的亚波长级别的电磁波波导结构。表面等离子激源提供了解决此问题的有效突破口。文中根据异质波导结构的耦合以及锲型波导的表面等离子激发理论,提出了异质纳米棒结构波导,该结构具有非常高的模场限制能力,对其传输的模式理论上可实现亚波长级别的限制能力。文中主要对此结构进行了数值仿真,分析了该波导结构的能量以及传输损耗,其结果表明该结构的模场限制能力可达到衍射极限的1/500,而且通过调整结构参数,将模场的传输距离延长到毫米级别。     

硅基结构混合等离子激元波导模式特性的数值研究

首先建立了一种由相同宽度的金属带,SiO2间隔层与Si介质脊构成的导体-夹层-硅基结构(Conductor-Gap-Silicon,CGS)的混合等离子激元波导模型,分析了间隔层的厚度以及波导宽度对模式传输特性的影响,提出了模场面积为0.08 m2与430 m传输距离的设计方案.在此基础上,通过增加数值模型中介质脊的宽度而形成硅基板CGS波导结构.数值分析结果表明:硅基板CGS波导可将模式有效折射率增至2.8,同时传输长度能够延长到1.74 mm.并且模场面积可以进一步压缩到0.025 m2.此外,硅基板CGS波导制作更加简便,并可采用现有COMS制作技术完成,进而具有较大的实用前景.     

Finite Element Analysis of Lossless Propagation in Surface Plasmon Polariton Waveguides With Nanoscale Spot-Sizes

We present simulation results on the propagation characteristics of active plasmonic waveguides at 1.55 mum wavelength based on semiconductors as the active gain media. Three waveguide structures were investigated: metal rib, metal-semiconductor-metal (MSM), and triangular metal groove. In all three structures, we observed strong plasmon mode confinement with nanoscale spot-sizes and corresponding simulated gain values compatible with existing semiconductor technology. We show the effect of systematic modification of waveguide geometry on the required gain for achieving lossless propagation in all the three plasmonic waveguide structures. We demonstrate that lossless propagation with subwavelength spot sizes well below the diffraction limit of light can be obtained by controlling the geometrical parameters of the proposed waveguides.     

Theoretical Investigation of Metal Cladding for Nanowire and Cylindrical Micropost Lasers

We investigate the transverse modal properties of cylindrical subwavelength metal-clad nanowire and micropost lasers via rigorous theoretical waveguide analysis, including the effects of finite thickness metal cladding and gain in the core. The results of this analysis show that air-metal surface guided TM₀₁ and some hybrid surface guided modes suffer less loss but are less confined to the core, while core-metal surface guided modes are better confined to the core but suffer greater loss. An increase in the thickness of the metal cladding reduces the loss of the core-metal surface guided modes. The modal gain and confinement of the metal-clad cavity are compared to an unclad cavity.     

Optimizing Dielectric Strips Over a Metallic Substrate for Subwavelength Light Confinement

In this letter, we develop an efficient method for optimizing the geometry of a dielectric strip over a metallic substrate for subwavelength waveguide applications. We investigate the effect of the design parameters on the light propagation and find the optimum design for both loss and light confinement. The proposed design technique generates optimal waveguide geometries that can support single-mode propagation while simultaneously achieving low loss and small modal sizes     

New Results in Dielectric-Loaded Resonators

Analysis of cylindrical dielectric-loaded resonators is reviewed. The fields within the dielectric-loaded region are postulated as the superposition of hybrid, TE, or TM modes of the infinite dielectric-loaded waveguide, while the fields in the end regions of the resonators are described by the superposition of the normal modes of a homogeneously filled waveguide. Numerical results are presented which reveal that accurate representation of the fields in the resonant structure generally require several modes. Hence, the resonant modes cannot be correlated directly with single waveguide modes. A new method for mode identification is proposed. For a wide range of parameters, the resonant frequencies, mode charts, field expansion coefficients, field intensity, and distributions are presented. Excellent agreement of the mode charts with resonant frequency measurement results are obtained.     

Propagation Properties of a Modified Slot Surface Plasmonic Waveguide

In this paper, we present a modified slot surface plasmonic waveguide formed by metallic rod, core dielectric layer, and metallic film on the substrate. Using the finite-difference frequency-domain method, modal field distribution are analyzed firstly. Results show that the fundamental mode could be well confined in the space between the metal rod and the metal film. The dependence of modal field distribution, effective index, and propagation length of the fundamental plasmonic mode without gain on dielectric constant of the core layer, geometrical parameters, and working wavelengths are analyzed and discussed. A kind of available gain dielectric medium was used for the core dielectric layer to extend the propagation length. Results show that the propagation length can be extended observably with the help of the gain dielectric medium. Finally, effect of the thickness of the core dielectric layer on modal field distribution, effective index, and propagation length are analyzed and discussed. Since the modal field distribution, effective index, and propagation length can be controlled by adjusting the geometrical parameters, dielectric constant and gain of the core layer and working wavelengths of the waveguide, this kind of surface plasmonic waveguide can be applied to the field of photonic device integration and sensors.      

周期损耗介质加载波导与均匀圆波导间的模式映射

损耗介质环与金属环间隔加载的周期损耗介质波导能够有效地控制各种模式的衰减特性,这对于抑制毫米波回旋行波管放大器的绝对不稳定性和提高其性能具有重要作用.针对应用于Ka波段、TE01模的回旋行波管放大器的周期损耗介质加载圆波导,系统地分析了该周期系统与均匀系统间的模式映射关系.研究表明,当介质层厚度一定时,均匀介质加载波导中的高阶模式可以映射为光滑波导中的低阶模式,且相互映射的模式在中空区域的场型一致.周期系统中的模式表现出复合模式的分布.在一个周期中,介质段和金属段的模式分别映射为均匀介质波导和金属波导中的模式.明确周期介质加载波导系统与均匀波导系统间的模式映射关系是分析发生在这种复杂的互作用回路中的回旋电子脉塞注波互作用的前提,对简化其物理模型具有指导作用.     

Confinement factors and gain in optical amplifiers

A new identity is derived which relates the gain and the field distribution (or confinement factor) in a dielectric waveguide with complex refractive indices. This identity is valid for any guided mode of waveguides with an arbitrary cross section. It provides a new check of the accuracy of mode solvers. Also, it can be used in a variational approach to predict the gain or loss of a guided mode based on knowledge of confinement factors. It is shown that a previous analysis that is often used, is not correct. In addition, approximate expressions for the gain in slab waveguides are presented