基于圆角矩形结构的表面等离子体激元滤波器与光开关
表面等离子体激元纳米激光器技术及应用研究进展
表面等离子体激元纳米激光器技术及应用研究进展陈泳屹;佟存柱;秦莉;王立军;张金龙【摘要】Conventional semiconductor lasers suffer from the scale of the diffraction limit due to the light to be confined by the optical feedback systems. Therefore, the scales of the lasers cannot be miniaturized because their cavities cannot be less than the half of the lasing wavelength. However, lasers based on the Surface Plas- mon Polaritons(SPPs) can operate at a deep sub-wavelength, even nanometer scale. Moreover, the develop- ment of modern nanofabrication techniques provides the fabrication conditions for micro - or even nanometer scale lasers. This paper reviews the progress in nano-lasers based on SPPs that have been demonstrated re-cently. It describes the basic principles of the SPPs and gives structures and characteristics for several kinds of nanometer scale lasers. Then, it points out that the major defects of the nanometer scale lasers currently are focused on higher polariton losses and the difficultiesin fabrication and electronic pumping technologies men- tioned above. Finally, the paper considers the research and application prospects of the nanometer scale lasers based on the SPPs.%传统半导体激光器由于采用光学系统反馈而存在衍射极限,其腔长至少是其发射波长的一半,因此难以实现微小化。
基于表面等离子激元谐振环的滤波特性分析
对 与 理 想 的半 无 限 大 金 属 和 电 介 质 界 面 图 . 设 定 : 方 向为 光波 的传播 方 向 ,z 0 真 空 ,z O >为 < 是 金属介 质 。其 中占是 真 空介 电 常数 , 是金 属介
电常数 , 是 真空 中的波 矢量 , 是金 属 中 的波矢
kz i t  ̄- o t) H2 , t (,,)ep ( x k, it )= 0B0 x i + 2—t ) k z o ( 4 ) ( 5 )
光 场 强 度 也将 呈 现 一 定 的周期 性 变 化 。假设 光在 波 导 内的 传播 以及 光 的 耦 合 是没 有 损 耗 的 。而 且
其中|= j } z
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在波 导 内只有单 一模式 传播 ,理 论上透 射率是 ‘ l a l l o + + 2I- at s + Z2 i t c (2 1)
它 们决定 电磁场 随着远 离界 面呈指 数衰减 。 电磁 场切 向分量 连续 .要求 在z 0 = 界面 A= () 6
收 稿 日期 : 0 1 0 — 7 2 1 - 6 1
H1 ,t (A, x ix k £ z )= O 0 p( - 一 J , )e k l )
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《 通用元器件 《
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基 于表 面等离子激元谐振环 的 滤波特性分析
赵 光 跃 ,蔡 祥 宝 ,刘耀 辉
( 南京邮 电大 学光 电学 院 ,江 苏 南京 摘 20 0 ) 1 0 3
光在表面等离子体中的传播特性及应用研究
光在表面等离子体中的传播特性及应用研究【引言】在现代科学中,光学是一门研究光的传播和相互作用的学科,而表面等离子体是光与固体界面共振的一种现象。
光在表面等离子体中的传播特性及其应用已经成为现代光学研究的重点之一。
本文将介绍光在表面等离子体中的传播特性、相关实验的准备和过程,并讨论其在光学和其他专业领域的应用与价值。
【一、光在表面等离子体中的传播特性】1. 表面等离子体激元表面等离子体激元是一种纵向经典振动波,在金属和绝缘体之间的界面上形成。
它是光与金属表面电子相互作用的结果,具有与电磁波相似的特性。
光在表面等离子体中的传播特性受到表面等离子体激元的影响。
2. 表面等离子体的耦合和局域化光与表面等离子体的相互作用可以耦合并局域化在金属表面附近的空间,形成极高的光场增强效应。
这种局域化效应可用于提高传感器灵敏度、增强光学器件的性能等。
3. 光在表面等离子体中的传播损耗光在表面等离子体中的传播存在一定的损耗,主要源于金属阻抗、光散射、吸收和表面粗糙度等因素的影响。
理解和控制这些传播损耗对于提高光学器件的效率至关重要。
【二、实验准备】1. 实验器材光源、激光器、光纤、金属薄膜等。
光源可以是连续光源或脉冲激光器,用于发射所需波长的光。
2. 实验样品制备金属薄膜样品,如银薄膜或金薄膜,用于实现表面等离子体的激发和传播。
3. 实验环境搭建实验装置,保证实验环境的稳定性,包括温度、湿度等参数的控制。
4. 测量设备光谱仪、光电探测器、光学显微镜等用于对实验结果进行测量和观察。
【三、实验过程】1. 使用光源照射样品通过合适的实验装置将光源的光照射到金属薄膜样品上,激发表面等离子体激元的产生。
2. 测量样品的光谱特性使用光谱仪对样品进行光谱测量,记录不同波长下的反射光强度和透射光强度。
通过分析光谱曲线,可以了解光在表面等离子体中的传播特性。
3. 观察样品的表面形貌与结构使用光学显微镜观察样品的表面形貌与结构,并对其进行分析。
光电子理论与技术的五个前沿领域介绍
光电子理论与技术的五个前沿领域介绍摘要:人们都达成这样一个共识,即21世界时生物时代与光的时代。
光电子理论的研究已经有了很多的成果,来自不同领域的科学家都在各自的领域里对光电子的理论有一定的贡献,不断丰富着光电子理论的内容,而且在技术上已经有很大的应用。
光电子学在21世纪必定引导着技术革命的先潮。
现在以及未来交叉学科的研究必然会使得光电子学更进一步的发展。
本文主要就光电子理论与技术的五个前沿领域介绍:生物医学光子学,光纤通信技,集成光学,等离子体光学,微纳光学。
这五个方面的理论研究很成熟,而且实际应用的技术也非常之多。
其技术应用在生活,医疗的方面为我们所熟悉,此文特点在于对理论进行一些简单介绍,而注重的是这五个方面在实际中的应用举例,以开阔视野为主要目的。
关键字:光电子理论生物医学光子学光纤通信技集成光学等离子体光学微纳光学Abstract: People have reached a consensus that the 21st century when the era of biological age and light. Optoelectronics research has had a lot of theoretical results, the scientists from different fields in their respective fields on the photoelectron contribution to the theory of a certain, and constantly enrich the content of photoelectron theory, but also has great application of technology . Optoelectronics in the 21st century will lead the first wave of technological revolution. Current and future cross-disciplinary research is bound to make further development of optoelectronics. This review focuses on theory and technology of optoelectronic five fronts: Biomedical photonics, optical fiber communication technology, integrated optics, plasma optics, micro-nano optics. Theoretical Study of these five areas are mature and practical application of the technology is also very much. The technology used in life, the medical aspects familiar to us, the article is characterized by a brief introduction on some of the theory, and focus on five aspects is in the practical application example, the primary purpose to broaden our horizons.Keywords: Biomedical Photonics, Optoelectronics theory technology integrated optical fiber communication optical micro-nano optical plasma一.生物医学光子学生物医学光子学(Biomedical Photonics)作为光子学与生命科学交叉形成的新的学科分支,将研究对象直指高等生命活体,特别是人类生活中所面临的一些重大问题。
基于表面等离子体激元的金属结构滤波器设计
基于表面等离子体激元的金属结构滤波器设计摘要:金属表面等离子体激元所具有的近场增强、表面受限、短波长等特性为亚波长尺度的金属结构中光场局域化提供了可能性。
利用它可以实现纳米级别、亚波长尺度内的高质量滤波。
本文建立在表面等离子体理论的基础上,设计出一种方形腔结构,编写程序利用matlab和时域有限差分法模拟,并通过改变结构的宽度、高度和耦合长度等参数,分析光波通过该金属结构后的透射性质,结合振幅分布,总结了其在滤波器中的应用。
abstract: with the properties of near-field enhancement, surface confinement and short wavelength, the metal surface plasmon polaritons makes optical field in local area of subwavelength metal structure possible. using it can achieve nanometer level, subwavelength scale of high quality filtering. this paper based on the surface plasmon resonance theory,designed a kind of square cavity structure by using matlab program and finite-difference time-domain simulations, with changing the parameters such as the width, height of the structure and the coupling length, through the metal structure analysis of optical waves, combining with the transmission properties and amplitude distribution, summarized its application in filter.关键词:表面等离子体;亚波长金属结构;透射增强key words: surface plasmons;subwavelength metal structure;transmission enhan中图分类号:th6 文献标识码:a 文章编号:1006-4311(2012)11-0047-020 引言表面等离子体激元[1-3](简称spps)是在金属-介质界面上自由电子与具有相同共振频率的光波发生的一种集体振荡。
表面等离激元塔姆态及其应用研究
AbstractAbstractSurface plasmon polaritons (SPPs) , profited by the unique electromagnetic field confinement and localized field enhancement, have developed into an important subfield of nano-optics. Until now, SPPs have been intensively applied in enhancing nonlinearities, surface-enhanced Raman scattering, surface-enhanced fluorescence, nanosensor, all-optical circuits, optical communication and signal processing. Plasmonic Tamm states (PTSs), as a new type of nanoscaled Tamm states, have combined the advantages of SPPs and optical Tamm states. In this dissertation, we investigated the PTSs in insulator-metal-insulator (IMI) and metal-insulator-metal (MIM) waveguides and the related applications in electromagnetic nanofocusing and photonic integration with the help of the impedance-based transfer matrix method. The key works and results are shown as follows:(1) Based on the transmission line theory, we have deduced the impedance-based transfer matrix (TMM), which is applicable to analyze the periodic structure in plasmonic waveguide. And the approximate expression of 3D impedance is proposed. Meanwhile, the main idea of finite difference time domain method (FDTD) is analyzed according to the curl equation of Maxwell's equations.(2) The PTSs configuration based on the MIM waveguide is proposed by periodically modulating the width of the insulator, in which the nanofocusing of the free-space optical energy is realized assisted by the air-gap coupler. The effective couplings between free space light and SPPs modes are realized with high coupling efficiencies for both 2D and 3D configurations at the resonant wavelength, moreover, the electromagnetic field intensities are enhanced by three orders of magnitude. Besides the field confinement in the perpendicular direction, the field is confined along the propagative direction. Compared to the traditional V-shaped plasmonic waveguide, the experimental fabrication is achievable with standard nanofabrication techniques such as electron-beam lithography and focused ion beam milling, which greatly reduce the processing difficulties.Abstract(3) A new type of PTSs based on IMI bragg reflector is designed by periodicmodulation of the dielectrics surrounding the metal core. Two independent IMI PTSscan be excited in the same configuration that are related to the even and odd modes inthe IMI waveguide. In addition to the realization of prominent electromagneticenhancement, the system can work as an optical switch via the transition between thetwo modes at resonant wavelength. The extinction ratio can reach 18.83 for periodN=at wavelength 1550 nm. These features offer IMI PTSs great number 8potentials for the integrated photonic devices and all-optical circuits.Key Words: Surface plasmon polaritons; plasmonic Tamm states; impedance-base;nanofocusing; all-optical switch第一章目录目录摘要 (I)Abstract (II)目录 (IV)第一章绪论 (1)第一节表面等离激元 (1)1.1.1 金属-介质结构单层分界面处的表面等离激元 (1)1.1.2 表面等离激元波导的模式特性 (6)1.1.3 表面等离激元的应用 (10)第二节表面等离激元塔姆态 (12)1.2.1 光学塔姆态 (12)1.2.2 表面等离激元塔姆态 (15)第三节本论文主要内容 (17)第二章数值模拟方法 (19)第一节基于阻抗匹配的传输矩阵方法 (19)第二节时域有限差分法 (22)第三节本章小结 (24)第三章表面等离激元塔姆态的自由光场纳米聚焦与增益 (25)第一节2D空气隙PTSs结构电磁场增益结果与分析 (25)第二节3D空气隙PTSs结构电磁场增益结果与分析 (29)第三节PTSs系统的Purcell因子分析 (32)第四节本章小结 (34)第四章基于IMI波导的表面等离激元塔姆态 (36)第一节PTSs结构与设计方法 (36)第二节IMI PTSs共振分析 (37)第三节本章小结 (42)第一章目录第五章总结与展望 (43)第一节总结 (43)第二节展望 (44)参考文献 (47)致谢 (53)个人简历在学期间发表的学术论文与研究成果 (54)第一章绪论第一章绪论光子学是研究光子的特性、光子与物质相互作用及其应用的新兴物理学分支。
《SPK基本原理》课件
SPK技术利用光波导结构实现光子传输和控制,可以实现高速的信号 传输和处理。
SPK技术应用领域
生物传感
光电子器件
SPK技术可以用于生物分子的高灵敏度检测 和识别,如DNA、蛋白质和细胞等。
SPK技术可以用于设计高性能的光电子器件 ,如光波导、光调制器和光开关等。
量子计算
光通信
SPK技术可以用于实现量子比特的控制和读 取,为量子计算的发展提供新的手段。
SPK技术具有高灵敏度、高分辨率和高速度等优点,在生物 传感、光电子器件、量子计算和光通信等领域具有广泛的应 用前景。
SPK技术特点
高灵敏度
SPK技术利用表面等离子激元的局域场增强效应,可以在纳米尺度 上实现对光子的高效吸收和操控,从而提高检测的灵敏度。
高分辨率
SPK技术可以实现纳米级别的光场操控和检测,具有高空间分辨率 和高光谱分辨率的特点。
06
SPK基本原理未来发展
SPK技术发展趋势
高效化
随着科技的发展,SPK技术将更加高效,能 够更快速、准确地处理大量数据,提高工作 效率。
智能化
SPK技术将与人工智能、机器学习等技术结合,实 现智能化处理,提高数据处理和分析的准确性。
云端化
随着云计算技术的发展,SPK技术将逐渐云 端化,实现数据共享、远程处理等功能,方 便用户使用。
光学元件检测案例
总结词
SPK技术用于光学元件的检测,可实现高精度、高效率的表面质量评估,提高光学系统的性能稳定性。
详细描述
光学元件的表面质量直接影响其光学性能,如透光率、反射率和成像质量等。SPK技术可以对光学元件的表面形 貌、微观结构和表面粗糙度等进行精确测量,及时发现和解决制造过程中的问题,提高光学元件的质量和可靠性 。
基于cmos的新型人工表面等离激元滤波器设计
在这篇文章中,我将探讨基于CMOS的新型人工表面等离激元滤波器设计。
我们需要对CMOS和等离激元滤波器有一个全面的了解。
我将详细介绍基于CMOS的人工表面等离激元滤波器的设计原理和特点。
我会共享我的个人观点和理解。
1. 什么是CMOS?CMOS指的是互补金属氧化物半导体,是一种集成电路技术,用于生产数字逻辑电路。
它具有低功耗、高集成度和低成本等特点,被广泛应用于数字集成电路和模拟集成电路中。
2. 什么是等离激元滤波器?等离激元是一种在金属或半导体导体界面上发生的电磁激发,可以用来调控光的传播和捕获。
等离激元滤波器利用等离激元的特性来过滤特定波长的光,具有高灵敏度和高分辨率的特点,被广泛应用于传感、通信和光学成像等领域。
3. 基于CMOS的人工表面等离激元滤波器设计原理和特点基于CMOS的人工表面等离激元滤波器利用CMOS工艺制造等离激元结构,将等离激元与CMOS集成在一起,实现了光电子器件的高度集成。
这种设计不仅可以利用CMOS工艺的优势,实现低成本、高性能的光电子器件,还可以利用等离激元的特性实现高灵敏度和高分辨率的光谱分析。
基于CMOS的人工表面等离激元滤波器还具有制造工艺简单、适应性强等特点,可以满足不同应用场景的需求。
4. 我的个人观点和理解在我看来,基于CMOS的人工表面等离激元滤波器设计是一种创新的光电子器件设计方法,具有很大的潜力。
它不仅可以实现高性能的光电子器件,还可以在光通信、光传感和光学成像等领域发挥重要作用。
我对这种设计方法充满期待,相信它会在未来得到更广泛的应用和发展。
总结回顾在本文中,我们全面介绍了基于CMOS的人工表面等离激元滤波器设计的原理和特点。
通过对CMOS和等离激元滤波器的了解,我们深入探讨了基于CMOS的人工表面等离激元滤波器的设计原理和特点,并共享了个人观点和理解。
基于CMOS的人工表面等离激元滤波器设计是一种创新的光电子器件设计方法,具有很大的潜力,我期待它会在未来发展壮大。
基于人工表面等离子体激元带通滤波器的设计
基于人工表面等离子体激元带通滤波器的设计
肖丙刚;陈静;孔胜
【期刊名称】《电子元件与材料》
【年(卷),期】2016(35)2
【摘要】设计了基于人工表面等离子体激元(spoof surface plasmon polaritons,spoof SPPs)的带通滤波器,在介质基板上覆上一层超薄金属铜,并将金属表面刻为周期波纹状金属条,同时结合马赫曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer,MZI),将金属条设计为MZI结构,并对MZI的干涉臂设计了两个取向相反的金属条结构,构成滤波器耦合部分,分析了耦合间距以及耦合单元个数对带通滤波器带宽的影响并进行了仿真.结果表明,该滤波器具有-3dB从4.8 GHz到8.3 GHz的带宽.基于人工等离子体激元的带通滤波器的设计为今后人工表面等离子体在微波行业的应用提供了思路.
【总页数】4页(P43-46)
【作者】肖丙刚;陈静;孔胜
【作者单位】中国计量学院信息工程学院,浙江杭州 310018;中国计量学院信息工程学院,浙江杭州 310018;中国计量学院信息工程学院,浙江杭州 310018
【正文语种】中文
【中图分类】TN91
【相关文献】
1.基于表面等离子体激元的金属结构滤波器设计 [J], 郝进欣
2.基于表面等离子激元模式的带通滤波器设计 [J], 刘海霞
3.基于人工表面等离子体激元和基片集成波导的带通滤波器设计 [J], 林宇聪;肖丙刚
4.基于表面等离子体激元的纳米激光器设计 [J], 魏来;李芳;周剑心
5.一种基于类表面等离子体激元的二维无限大天线阵的设计 [J], 蓝天;窦宇身;李裘粹;蒋寻涯
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基于表面等离子激元的新型可调谐微共振环滤波器分析
基于表面等离子激元的新型可调谐微共振环滤波器分析0 引言表面等离子激元(简称SPPs)早在1950 年的Ritchie 工作之后就被人们所认识。
它们本质上是光子和导体中的自由电子相互作用而被表面俘获的广波,或者说是自由电子和光波电磁场由于共振频率相同而形成的一种集体振荡态。
SPPs 沿着导体一电解质分界面处传播,传播距离大约是几百纳米到几微米,并在垂直表面的两个方向上,均以指数式衰减。
传统光学由于衍射极限的限制,只能把光子器件做到波长(λ/n)量级,而无法满足集成光学的需求,而基于表面等离子激元的光子器件则打破了衍射极限的限制,可以将光束缚在亚波长结构中传播,故有利于光器件的集成化发展。
基于表面等离子激元的光波导由于可以将光场限制的很小,因而可以实现非常急剧的弯曲,进而可以做成非常小的环状波导。
本文研究的基于表面等离子激元的共振环滤波器就是一种十分重要,也是十分基础的光学器件,在光通信中有着很广泛的应用(如光开关,波分复用等)。
1 表面等离子激元的特性在合适的边界条件下解Maxwell 方程,可以得到SPPs 的色散关系:其中,ε是金属的介电常数,εd 是电介质的介电常数,kspp 是SPPs 的波矢,k0=ω/C 是自由空间的波矢。
色散关系公式(1)中,金属的介电常数ε采用Drude 模型:,其中ε∞是带间跃迁对的介电常数,ω是等离子共振频率,γ是电子碰撞频率。
由式(1)可以看出,由于ksppk0,SPPs 的动量与入射光子的动量不匹配,所以,在通常情况下,SPPs 不能被激发,它可以通过在金属表面引入亚波长缺陷等方法来激发。
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J o u r n a l o f S o u t h C h i n a N o r m a l U n i v e r s i t y ( N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n )
b e o p t i m i z e d w i t h t h e s a m e b a n d w i d t h . O n e c a n r e a l i z e t h e r e q u i r e d t r a n s m i s s i o n s p e c t r a b y a d j u s t i n g t h e r a d i u s o f
( G u a n g d o n g P r o v i n c i a l K e y L a b o r a t o r y o f N a n o p h o t o n i c F u n c t i o n l a Ma t e r i a l s a n d D e v i c e s , S c h o o l f o r I n f o r ma t i o n a n d O p t o e l e c t r o n i c S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g , S o u t h C h i n a N o r ma l U n i v e r s i t y ,G u a n g z h o u 5 1 0 0 0 6 ,C h i n a )
( 华南师范大学信息光 电子科技学院 , 广东省微纳光子功能材料 与器件重点实验室 , 广州 5 1 0 0 0 6 )
摘要 : 提 出并研 究基于 圆角 矩形结 构 的表面 等 离子体 激元 带通 滤波 器, 运 用 时域 有 限差分 方法 ( F i n i t e — D i f f e r e n c e T i m e — D o m a i n , F D T D ) 对 滤波器 的透过 率特 性进 行模拟 仿真. 由于采 用 圆角矩形结 构, 滤 波器 的透 过率在 带宽不 变 的情况下被优化. 通过 改变圆角矩形谐振 腔的 圆角半径 以及 腔长 , 可 以实现所 需要的透过 率光谱. 在 圆角矩形 结构 基础上提 出 1 x 2解复用器 , 通过将输 出端 2与谐振腔耦合处的波导增长 1 2 0 n m, 实现 了抑制共振模 作用. 通过在滤 波器 的圆角矩形谐振腔 中注入具有双折射效应 的液 晶 Me r c k B L 0 0 9 , 提 出具有波长选择 作用 的光 开关. 结果表 明, 基于 圆角矩形结构 的等 离子体激元滤波器在纳米光 学器件 中具有很好 的应用前景. 关键词 : 表面等离子体 激元;表 面等 离子体激元滤 波器 ;光开关 ; 光 学谐振器 ;集成光器件
t wo ha l f c i r c l e e n d s i s p r o p o s e d a n d n u me ic r a l l y i n v e s t i g a t e d. Th e t r a n s mi s s i o n p r o p e r t i e s o f t he i f l t e r a r e s i mul a t e d
b y t h e F i n i t e ・ D i f f e r e n c e T i m e — D o m a i n( F D T D)m e t h o d . A t t r i b u t e d t o t h e h a l f c i r c l e e n d s ,t h e t r a n s m i t t a n c e s c a n
2 0 1 6 , 4 8 ( 6 ) : 4 4 — 4 9 d o i : 1 0 . 6 0 5 4 / j . j  ̄ c n u n . 2 0 1 6 . 0 5 . 0 1 6
基 于 圆角 矩 形 结 构 的表 面等 离 子体 激 元 滤 波 器 与 光 开 关
梁瑞 生 ,易俐璇 , 韦 中超 , 易亚军, 赵瑞通 , 赖 根 ,卞振 宇
A b s t r a c t : A n u l t r a — c o m p a c t s u r f a c e p l a s m o n p o l a r i t o n s( S P P s )b a n d — p a s s i f l t e r b a s e d o n a r e c t a n g u l a r c a v i t y w i t h
中图分类号 : 0 4 3 6 . 2 文献 标 志 码 : A 文 章 编 号 :1 0 0 0 - 5 4 6 3 ( 2 0 1 6 ) 0 6 — 0 0 4 4 — 0 6
Pl a s mo n i c F i l t e r a n d El e c t r o - Op t i c a l S wi t c h Ba s e d o n Re c t a n g u l a r Ca v i t y wi t h T wo Ha l f Ci r c l e En d s L I A N G R u i s h e n g , Y I L i x u a n , WE I Z h o n g c h a o , Y I Y a j u n , Z H A O R u i t o n g , L A I G e n ,B I A N Z h e n y u