基于表面等离子体激元光波导滤波器的设计及特性研究

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表面等离子体激元(Surface plasmon polaritons,SPPs)是一种电磁场局域于金属表面的电磁波形式,其沿着金属表面传播且在垂直于金属表面方向上呈指数衰减。SPPs能够打破传统光学衍射极限,且具有较强的局域电磁场增强特性,其独特的性质为光学滤波器开辟了一条新的发展道路。金属-介质-金属(Metal-Insulator-Metal,MIM)波导是一种典型的SPPs波导,具有在亚波长尺度上操纵光的能力,为实现微纳米光子器件提供了有效途径。表面等离子体共振诱导透明(Plasmon-induced Transparency,PIT)效应产生的透明窗口具有急剧的色散特性,在光子器件中有巨大的应用潜能。本文设计了基于SPPs的MIM波导滤波器结构,并将PIT光学效应引入结构中,构建出特性优良的MIM波导带阻和带通滤波器结构,并逐步实现了结构的改进与扩展,本论文主要包括以下几方面内容:首先,从SPPs的基础理论知识入手,学习了其基本性质和理论研究方法。设计了一种基于MIM弯曲波导耦合内嵌银条的新型双频窄带带阻滤波器,详细阐述了结构的光学传输特性,分析了其产生双模式共振的机理及结构参数对其滤波特性的影响。其次,将PIT效应的良好特性引入MIM波导结构,提出了一种半封闭T形波导侧耦合圆盘腔结构的带通滤波器。基于明暗耦合物理机制的PIT光学效应在系统支节谐振腔与圆盘谐振腔中实现,获得了窄带带通的滤波功能。然后通过在圆盘腔中填加增益介质补偿腔内的本征损耗,实现了压缩滤波带宽的同时有效提升结构的透射效率。最后,通过在结构右侧增加谐振腔实现了双PIT效应。谐振波长可通过改变圆盘谐振腔半径和支节长度以及结构介质折射率进行调节。最后,基于解谐原理实现PIT效应,提出一种两端封闭的非对称十字形MIM波导结构的窄带带通滤波器;在此基础上提出了两端封闭的非对称十字形波导侧耦合圆盘腔结构,基于解谐和明-暗耦合物理机制实现了双PIT效应,进一步获得了双频带通滤波功能。由于不同的物理机制,两PIT峰可通过改变两支节长度和圆盘腔半径或填充在腔内电介质材料的折射率进行调控,从而有效选取滤波波长。
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