孟爱妮
(潍坊科技学院,山东寿光 262700)
新型波导的开关设计及特性分析
孟爱妮
(潍坊科技学院,山东寿光 262700)
通过SPP(表面等离子体激元)的优越特性分析了楔形波导SPP的透射特性,设计了嵌有光栅的楔形等离子体波导结构。对SPP激发的分析采用衍射光栅耦合的方式,通过改变金属薄膜厚度以及入射光角度得出其结构特性。结果表明:金属薄膜厚度的减少会导致透射带宽迅速降低,透射率也随之下降;而入射光角度的改变会导致透射光效率的变化。模拟了楔形波导结构的表面等离子体,得到了薄膜厚度的变化透射曲线和入射光角度透射率,得出了透射率变化图。研究结果对半导体设备的纳米等离子激元耦合具有一定的意义。
楔形波导;表面等离子体;光栅;金属薄膜
SPP(表面等离子体激元)的独特性质使其在亚波长光学领域发挥了极为重要的作用,其中最为典型的是SPP的强局域性。随着研究的深入,人们发现SPP强局域性增强的根本原因是其金属表面聚集了大量电荷,金属表面越尖锐,聚集的电荷数量越多。针对SPP的上述特性,当前已有很多典型应用。在太阳能应用中,K.R.Catchpole[1]等首次将金属纳米颗粒引入到光伏电池实验中,发现改变粒子大小可以有效改善荧光效果,从而提高转换率。经过实验发现,SPP还可以应用于各种类型的光伏电池中。在荧光应用中,Dehage[2]等首次发现金属粒子与荧光性能的密切关系,当SPP受到激发后,其金属界面电场强度大大增加,使得位于其附近的分子也被增强,拉曼及非线性也是基于同一原理。在光热治疗应用中,Loo Christopher等[3]提出将纳米粒子导入到肿瘤内,利用光热效应杀死癌细胞,其基本原理是用红外激光照射激发纳米粒子,使其发生共振,由于微粒吸收能量,使得局域温度大大升高,从而杀死癌细胞。基于以上技术背景[4],本文利用一种楔形波导结构来分析SPP传播的透射性能,对于SPP波导实现集成化和进一步分析其在纳米等离子学的发展具有一定的借鉴作用。
图1 光栅嵌入楔形波导模型
1.1结构分析
图1所示为光栅嵌入楔形波导模型。在金属层衍射光栅耦合激发SPP,图1中的入射波为p极化(磁场矢量沿着一维光栅的狭缝方向)。结构中周期光栅嵌入在高介电常数波导上,电磁波在x轴向电场上产生极化,等离子体产生在金属外表面。以θ角入射的p极化微波经由内置的衍射光栅向SPP耦合,并导致光谱中出现带宽强吸收和散射峰。周期光栅排列能提供动量,并耦合相干散射等离子谐振到传输特性的波导模式。系统形成一个耦合的波导模式系统,并且通过等离子谐振来实现调谐。通过计算局域SPP的共振频率、改变光栅几何尺寸和周围介质的介电常数,可得到系统性能参数及等离子体的密度参数等。
1.2理论模型分析
本文采用衍射光栅结构来激发表面等离子体,通过光栅衍射过程中产生的能量来实现波矢补偿,从而激发SPP的产生,其波矢满足:
式中,ω为SPP的共振频率;c为光速;θ0为光波矢量与z方向夹角;v为电子传播速率;ksp为消逝波的波数。设介质厚度为t,在z<0空间中的介电系数和磁导率分别为ε1、μ1;在0<z<t处,金属的介电系数和磁导率分别为ε2、μ2;在z>t空间中的介电系数和磁导率分别为ε3、μ3,对于TM(横向电场)极化的外加电磁波所激发的表面等离子体,ωpe是电子角频率,这样电场矢量E和磁场矢量H可分别表示如下:
(1)在z<0区域:
(2)在0<z<t区域:
(3)在z>t区域:
进而得到设计波导的SPP共振频率:
图2所示为采用CFL(柯朗数)对图1结构的SPP振动产生的磁场分布图。由图可知,在z=0平面,表面自由电子的集体振动在几十个纳米范围内,越靠近边界,振荡效果越明显。研究表明,随着介质厚度的增加,透射率逐渐降低,且传输带宽变得狭窄,这是由于金属薄膜的出射光场很弱并且向各个方向发散,从而产生透射现象。
图2 磁场分布图
由图2(a)和(b)可知,当介质1和2同为Si或SiO2材料时,磁场Hx集中程度与表面等离子波的局域性较差。依据强度值颜色深灰比照可以发现,4个图中都存在一定的强度最大值附近的集中区域,说明结构的电磁波局域性较好,有强局域区域。
图3所示为介质厚度t在130~190 nm之间、以10 nm为步进的模拟仿真透射率。由图可知,当金属介质厚度减少时,透射带宽会迅速降低,因此透射峰值也会逐渐降低。
图3 透射率
图4 透射光效率图
图4所示为透射光效率图。当光以不同的入射角度0°、30°、60°和90°入射时,散射光强与透射光效率均会产生变化。透射光效率是指到金属表面的等离子波传输存在损耗的情况下,金属薄膜另一端的光强与入射光强的比值。
通过设计楔形波导来激发SPP,得到了在CFL条件下的振动示意图,所设计结构波导的局域化程度较好。实验结果表明,金属薄膜厚度的减小会导致透射带宽迅速降低,透射率也随之下降;入射光角度的改变会导致透射光效率的变化。所设计的波导结构和得到的传输特性对研究半导体设备特别是光开关具有理论和实际意义。
[1] Catchpole K R,Polman A.Plasmonic solar cells[J]. Optics Express,2009,16(26):21793-21800.
[2] Rehage D,Carl U B,Vahl A.Redundancy management of fault tolerant aircraft system architectures-reliability synthesis and analysis of degraded system states[J].Aerospace Science&Technology,2005,9 (9):337-347.
[3] Christopher Loo,Amanda Lowery,Naomi Halas,et al.Immunotargeted Nanoshells for Integrated Cancer Imaging and Therapy[J].Nano Letters,2005,5(4):709-711.
[4] 刘亚青,张玉萍,张会云,等.光抽运多层石墨烯太赫兹表面等离子体增益特性的研究[J].物理学报,2014,20(07):241-247.
New Waveguide Switch Design and Characteristics Analysis
MENG Ai-ni
(Weifang University of Science and Technology,Shouguang 262700,China)
The transmission characteristics of the wedge-shaped SPP waveguide are analyzed through SPP superior characteristics.In this paper,we design the wedge plasma waveguide structure with embedded grating.Diffraction grating coupling is used to analyze the exciting phenomenon of SPP.The structure characteristics are obtained by changing the thickness of the metal film and the incident light angle.The calculation results show that the metal film thickness reduction will lead to fast reduction of the transmission bandwidth as well as the transmission rate.The change of the incident light angle will also lead to the variation of the transmitted light efficiency.We also simulate the wedge surface plasmon waveguide structure to obtain the film thickness change transmission curve,angle of the incident light transmittance,and the corresponding transmission rate variation.The results in this paper are significant for nanoplasmons coupling of semiconductor equipment.
strip waveguide;surface plasmon;grating;metal film
TN256
A
1005-8788(2016)04-0042-03
10.13756/j.gtxyj.2016.04.013
2016-03-31
国家自然科学基金资助项目(5140617);江苏省纯电动微型车驱动桥结构可靠性研究项目(2015QCCD-008)
孟爱妮(1985-),女,山东寿光人。讲师,硕士,主要研究方向为电子与通信控制。