等离子体激元波导传输在对称混合长程表面的特点分析

秦旗+徐熙平+苏阳+刘大畅

摘 要：随着光电子学与纳米技术的发展与进步，集成光学技术对于集成系统的密度以及其他方面都有较高的要求。二表面等离子体激元波导可以在最大的程度上把电磁场约束在金属和介质的分界面处，在光子学应用上有着较大的可行性，能够很好地符合光子学的高速率速度传输，从而使其可以突破衍射极限带来的限制，增强系统的集成密度。本文从等离子体激元波导传输在对称混合长程表面的传输出发，探讨在这个传输介质中出现的传输特点，从而对其进行优化。

关键词：等离子体激元波导；对称混合长程表面；激光传输介质；介质分析

计算机和微电子技术的发展对数据传输的速度也有着很大的要求，随着技术的改善，光纤损耗技术的降低也让光纤通信有了良好的发展空间，随着通信技术和网络信号的处理要求不断提高，新一代的光电系统在生活中的应用范围也越来越广，集成光学在生活和研究领域的重要性也在不断增加，逐渐成为研究领域的热点之一。

1 表面等离子体的理论基础

在很久以前，人们就已经对金属表面的等离子共振有着一定的了解和接触，在这一现象尚未上升到理论高度的时候，人们在无意之中采用金属的这个特性进行了一些简单物品的制作，比如利用金属纳米结构的选择性散射和透射的效应，把不同种类的金属颗粒掺杂进彩色的玻璃当中，从而生产出各种各样颜色的玻璃，用作不同的装饰品，如在制备玻璃杯的时候，在制作玻璃的时候掺入微量的金粉和银粉，这样就能让玻璃杯呈现出不同的颜色，如不透明的绿色和半透明的红色，这就是等离子体在人类尚不能理论化这个现象时候的初级应用。

一般情况下，贵金属才是表面离子体产生的重要介质，因为贵金属当中可以实现电子跃迁，可以使能量衰减少，这样在金属尺寸缩小到几十纳米量级的时候，要使用麦克斯韦的电磁方程来进行理论上的建模与分析。

在日常的生活当中，金属频率的可见光波段会因为反射光比较多而阻碍同属性的其他电磁波进入和穿过。在微波和远红外的波段中，波导的包层可以使用某些金属作为代替，而且随着频率的不断增大，电磁波对于金属的穿透能力也在不断增强，也会带来更大的损耗，在这个状态下，我们可以使用德鲁特模型进行性质的描述。

表面等离子体的激元波导传输是外界在电磁场的作用下对电子自由振动的传播以及入射光子的相互作用而产生的电磁波，电磁波沿着金属和介质的分界面进行传播。它的振幅在垂直于传播方向上有着和传播深度呈反比方向的关系。在两个相异的均匀媒质分界面处，介电常数是正实数的媒质就是介质，而介电常数呈现复数状态的就是金属，在金属和介质的分界面处，一定频率的光波照射会引起金属中自由电子的震荡从而引起共振。

2 混合长程表面等离子体激元波导传输的分析

（一）混合长程表面等离子体波的特点

最近引用较多的混合长程表面结构就是三层结构，分别是IMI结构与MIM结构，这两种结构当中间层比较厚的时候，两个分界面的表面等离子体波互不干扰，而随着中间层厚度的减少，两个分界面上的表面等离子体波开始进行交叠，从而产生耦合的现象。我们对这种现象进行分析，发现场限制能力较强的结构会有较大的传输损耗，而传播长度和场限制能力是互相制约的，在IMI结构中，电磁能量向两边集中，所以传播长度交缠，传播距离也会大大增大，所以这就是长程表面等离子体波。

混合长程表面等离子体波具有传输距离较长、平面集成较为便利的特点，所以随着金属厚度的减少，表面等离子体的传输常数的虚数部分会趋向于0.从而可以进行较长的传输。这种易于被光纤介质波导激发的方式以及得到了广泛的应用，而且有着可以实现模场放大的可能性。

（二）混合长程表面等离子体激元波导的简介

混合长程表面等离子体激元波导是长程表面等离子体波和高折射率下的对比效应的混合状态，这种状态下等离子体波到有额外的场限制能力，传播长度也有着提升，对三维的集成光学电路的发展铺平了道路，通过详尽的计算，有着新型结构的初步实行方案。新型的结构注重传播长度、模式宽度的统一。

在具体的制造过程中，对称混合长程表面的等离子体波到是所有层和介质材料以及过程中化学蒸汽的叠加，所以有着一定的制造误差，要注重理想尺寸的精确程度。而侧向模场限制也是需要很多关注的，而且传播的损耗会由于模场限制而有所降低，在这个过程中，横向模场限制在没有弯曲损耗计算的情况下可以基本确定最低弯曲半径的实现，从而使模式宽度成为一个关键的参数。在耦合长度方面，水平放置的平行波导要大于垂直放置状态，而包层波导的耦合长度要比非包层波导的耦合长度长，两个相邻波导的串扰减小也会导致耦合长度的增加。

3 结语

新型的对称混合长程表面等离子体激元波导有着优点和缺点，要注重分析介质加载的表面等离子体，和长程表面等离子体的优点与缺点，对对称混合长程表面等离子体波导结构进行一定的优化。

参考文献：

[1]孙海丽. 对称混合长程表面等离子体激元波导传输特性研究[D].兰州大学，2014.

[2]李敏钰. 表面等离子体波导研究与折射率传感器设计[D].北京交通大学，2010.

[3]张义磊. 基于表面等离激元的纳米金属/介质混合波导性质的研究[D].北京邮电大学，2015.