表面等离激元亚波长光波导滤波器研究进展

综述了本研究小组有关单齿、多齿、侧耦合腔、迂回型等结构的表面等离激元波导滤波器的研究进展.在单齿状金属-电介质-金属波导结构的研究基础上,发展出对称和非对称多齿结构以及侧耦合腔型反射式滤波器、低通波长和高通波长滤波器等其他结构.时域有限差法模拟揭示了它们均可具有一定的波长选择特性,对称多齿结构展现一个宽的陡峭禁带,不对称多齿结构却能实现窄带滤波功能.分析和模拟研究均表明谷或峰的中心波长与齿的深度或宽度有关;截止型结构的截止波长则可通过改变结构的相应长度和宽度等参数来选择.这些滤波器结构有可能应用于未来的纳米集成光学回路.     

基于矩形谐振腔MIM波导结构的表面等离子体带阻滤波器

采用二维时域有限差分法(FDTD)设计并验证了一种新型的基于金属-介质-金属(metal-insulator-metal,MIM)多矩形谐振腔结构的表面等离子体带阻滤波器.该结构由一波导通道和一列平行排列于波导上方的矩形谐振腔组成.当矩形腔的长度对某一波长满足法布里-珀罗(F-P)谐振条件时,该波长的表面等离子体(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)将进入腔内并发生耦合共振而被限制在其内,起到滤波的效果.通过调整谐振腔的长度和数量,可以方便地滤掉一个或多个不同波长的光波.与其他结构SPPs滤波器相比,此结构更具有简洁、滤过的波长更窄、更小的能量损耗等优点,该种滤波器可以应用于高集成电路等光学设备.     

合成亚波长窄带高反射滤波器的性能研究

把亚波长光栅的全反射特性与干涉薄膜的减反射特性相结合构成“合成亚波长微结构薄膜”,用矢量衍射理论,从理论上探讨了ＭＳＭＦ制作窄带高反射滤波器的可靠性。结果表明,这种滤波器具有反射率峰值高,旁带低和相对半宽度窄的特点。     

梯形通道等离子体激元亚波长光波导结构

本文提出了一种用两层金属之间的梯形空气通道作为集成光学的基本结构单元。时域有限差分法（FDTD）的模拟结果表明亚波长梯形通道等离子体激元（CPPs）波导可以有效地控制表面等离子体激元的散射损耗,提高输出端的波印廷矢量,从而实现低传输损耗和能量聚焦。本文用金属银作为波导材料,设计了一种二维梯形通道等离子体激元波导基本结构单元,利用时域有限差分法（FDTD）对其输入端口耦合效率以及梯形波导的传输效率进行模拟分析。验证了梯形通道表面等离子体激元（CPPs）波导较之矩形（CPPs）波导的优越性。     

亚波长结构抗反射表面的设计方法

对亚波长结构抗反射表面的设计原理和设计方法进行了较详细的论述，基于等效媒质近似理论，给出了一维光栅结构的等效折射率，描述了二维对称结构的一维近似分析方法及其等效折射率估算方法，为得到大的特征尺寸，提出了基脊和隙空的混合设计概念。     

光纤与表面等离激元波导的互联研究

利用在金膜上设计的4个直线排列的弧形二维光栅结构, 在实验上实现光纤与表面等离激元的四路光互联。当光纤照射到不同的弧形光栅上时, 将产生表面等离激元, 并被聚焦耦合到不同的波导中, 从而实现具有恒等、蝶形和全混洗3种方式的四路光纤与表面等离激元波导的光互联。在理论上, 利用惠更斯?菲涅尔原理进行数值模拟, 计算聚焦点附近的场强分布, 理论与实验结果符合得很好。     

表面等离子体亚波长光学的研究

表面等离子体激元是局域在金属表面的一种由自由电子和光子相互作用形成的混合激发态.改变金属表面的结构,SPPs与光相互作用的特性也会随之改变.所以,SPPs在光存储、光激发、显微技术和生物光子学等领域的应用受到日益关注.首先,介绍了SPPs的基本特性和表面等离子体亚波长光学研究热点,然后用微加工的手段制备了亚波长的环形和分形结构的样品,并用实验测量和传输矩阵的方法得出两级cross dipole分形结构在近红外和中红外的透过曲线,在1.72μm和5.2μm的波长处有两个强的透过峰,其透过率分别为36%和49%,理论和实验结果一致.     

飞秒激光在银膜表面诱导亚波长周期条纹的超快成像研究

采用440 nm空间分辨、亚皮秒时间分辨的泵浦探测成像技术,本文研究了800 nm飞秒激光脉冲照射银膜表面后亚波长周期条纹的形成动力学.分析了1~6个飞秒脉冲照射下银膜表面条纹结构的演化过程.第一个激光脉冲在薄膜表面诱导凹槽等缺陷结构;第二个激光脉冲以后表面开始出现亚波长周期条纹,并且在更多脉冲照射时进行纵向和横向生长.条纹在50~70 ps以后开始出现,随延迟时间增加不断加深变长,在演化过程中条纹位置保持不变;形成过程在1 000 ps内基本结束.研究结果表明,飞秒激光在薄膜表面诱导凹槽等缺陷结构在后面的激光脉冲照射表面过程中激发了表面等离激元,进而导致的周期性能量沉积在亚波长周期条纹形成过程中起了关键作用,材料表面的熔化导致了之前形成的条纹变浅以及部分消失.     

波导带通滤波器

针对一般平面结构滤波器,如微带线切比雪夫型滤波器所面对的带内插损和带外抑制这一对矛盾,本文使用圆形波导腔体作为谐振器,有效地提高了谐振器的Q值,使在满足带内插损不大于指标要求的前提下,尽量使滤波器的带外抑制提高。另外,在函数类型上使用椭圆函数型,使带外出现有限频率传输零点,进一步提高了带外抑制能力。利用一腔多模,可以在相同的级数要求下,大大减小滤波器的尺寸和重量,可使其能胜任星载通信设备的要求。     

亚波长结构抗反射表面的设计方法

对亚波长结构抗反射表面的设计原理和设计方法进行了较详细的论述.基于等效媒质近似理论,给出了一维光栅结构的等效折射率.描述了二维对称结构的一维近似分析方法及其等效折射率估算方法.为得到大的特征尺寸,提出了基脊和隙空的混合设计概念.     

表面等离激元波导中表面等离激元二次谐波的产生机制

在表面等离激元波导的二次谐波产生过程中, 波导较大的色散导致的相位失配阻碍了其实际应用, 能够消除相位失配的波导尚未见实验报道。通过将单层二硫化钼与平面表面等离激元波导相结合, 在波导中实现从基频表面等离激元到倍频表面等离激元的转化, 并研究单层二硫化钼-银结构的二次谐波产生特性, 为表面等离激元波导中二次谐波产生的实际应用打下基础。     

Plasmonic Bloch oscillations and resonant Zener tunneling in subwavelength metal-dielectric-air waveguide superlattices

In this paper,we study the propagation properties of surface plasmon polaritons in plasmonic single-cavity superlattices and two-cavity superlattices which are composed of two kinds of alternately stacked subwavelength metal-dielectric-air waveguides with large dispersion.Theoretical predictions of plasmonic time-resolved Bloch oscillations existing in single-cavity superlat-tices and resonant Zener tunneling(ZT) occurring in two-cavity superlattices by the transfer matrix method(TMM) are well dem-onstrated by the numerical simulations on the propagation of SPPs pulse in the two kinds of superlattices by the finite-difference time-domain(FDTD) method.The two proposed superlattices can be conveniently fabricated by present nanotechnology,and the study may promote the realization of plasmonic BO and resonant ZT in nanoscale devices experimentally.     

基于缺陷地波导结构的双模带通滤波器设计

提出了一种新型的基于缺陷地波导(DGW)结构的双模带通滤波器设计。该滤波器由一对双T型微带输入/输出馈线和一个方形DGW双模谐振器构成。通过在DGW谐振器对称面上引入容性微扰,使谐振器的两个简并模分离,从而产生良好的双模带通椭圆形响应特性。对新型DGW结构单元进行研究,分析了微扰结构的尺寸对滤波器传输特性的影响,设计并加工了一个DGW双模带通滤波器,仿真及测试结果吻合较好。     

基于金属-绝缘体-金属光栅结构的功分器及分波器设计

设计了一种基于仿表面等离激元（Spoof surface plasmon polaritons,Spoof SPPs）的金属-绝缘体-金属（metal/insulator/metal,MIM）光栅结构的Y型功分器和分波器。MIM光栅结构由两块内侧加工有周期性凹槽的有限厚度金属板构成,工作于微波波段,采用单极子作为激励来激发光栅结构上的仿表面等离激元。其中功分器的两个输出分支采用凹槽深度相同的光栅结构,可以将从输入端来的电磁波平均分成两个部分,然后分别朝着两个输出分支传播;而分波器的两个输出分支则采用凹槽深度不同的光栅结构,可以使不同频率的电磁波朝着不同的分支传播。利用三维电磁仿真软件CST微波工作室（CSTmicro-wave studio）对该功分器和分波器进行仿真分析,加工出分波器实物并进行了实验测试,测试结果与仿真分析基本吻合,验证了方案的可行性。     

一种介质加载型表面等离激元透镜的研究

提出一种由金属圆盘和圆锥形介质薄膜组成的表面等离激元透镜结构, 该结构能将正入射的电磁波汇聚成束缚于介质表面的圆弧形聚焦斑。这些聚焦斑的尺寸随着介质薄膜中心厚度的减小而减小, 并在薄膜厚度等于某个值时汇聚成一个焦点。该结构还能实现较好的局域场增强。     

星载高功率微波波导低通滤波器的精确设计

提出了一种星载高功率波导低通滤波器的精确设计方法，将滤波器分布低通原型参数转换成广义阻抗变换系数，采用模匹配法等数值算法精确计算矩形波导中客性膜片的散射参数，进而获得其广义阻抗变换系数，然后通过插值，直接得到滤波器的所有结构参数．该方法避免了常规设计方法中对结构参数的反复调整，提高了设计效率和设计精度．设计并制作了1台2．5GHz和1台22GHz的矩形波导低通滤波器，典型性能为带内驻波比小于1．2，损耗波动小于0．15dB，测试结果与设计数据一致，满足了技术指标要求．     

金属-有机-金属电激发表面等离激元器件

在p型硅衬底上, 制备了金属-有机-金属(metal-organic-metal, MOM)电激发表面等离激元器件。器件结构是p-Si/Au/V₂O₅/NPB/Alq₃:DCM/Sm/Au, 掺杂DCM的Alq₃为发光层。高倍显微镜下, 器件侧面发光图像显示, 绝大部分光被限制在双金层结构波导中传播。采用微区共焦拉曼光谱仪, 分别测量了侧面出射的非偏振模式、TM模式和TE模式电致发光谱。TM模式强度约为TE模式强度的2倍。分析认为, 具有TM偏振特性的表面等离激元(surface plasmon polariton, SPP)在侧面电致发光中起重要作用。 发光体的能量耗散谱表明SPP模式能量约占总能量65%。利用时域有限差分法(finite-different time-domain, FDTD)对简化结构进行模拟, 得到了泄漏模和SPP模式的二维电场强度分布。     

双层金属亚波长结构近红外波段的吸收研究

 提出一种应用价值较高的由带周期狭缝和周期凹槽的2块金属板构成的吸收器件.利用时域有限差分算法(FDTD) 模拟了电磁波跟金属结构的相互作用.发现在所研究波段形成2个强吸收峰.变化狭缝宽度、2块金属板的间隔和凹槽深度,发现不同的变化规律.结合近场分布,认为吸收的物理机制是通过表面等离子体将电磁波耦合进入结构内部,一种是只在金属表面的表面等离子体共振,另一种是在狭缝里的F-P共振.2种共振通过金属电子的阻尼振动将光波的电磁能量吸收.