李冰晶， 黄宏潮

(海南热带海洋学院， 海南 三亚 572002)

基于实验室管理的微结构设计及特性分析

李冰晶， 黄宏潮

(海南热带海洋学院， 海南 三亚 572002)

为了实现表面等离子器件的光电集成应用，采用典型的金属-介质-金属中刻蚀2条紧邻的缝隙结构，设计了一种新型的定向耦合器。分析本征模式的波导方程、反转粒子数与时间关系，得到了定向耦合器的耦合条件。耦合器特性分别表明：设计的缝隙结构表面等离子能够通过缝隙1向缝隙2渗透，可以实现表面等离子在缝隙间的周期性传播，表面等离子传播在2 μm左右；耦合距离与缝隙大小表现为线性的关系，当缝隙大小小于100 nm时，能够实现更高的耦合效率、更短的耦合距离；设计的定向耦合器可以通过减小缝隙大小提高表面等离子传播的耦合效果。

定向耦合器； 缝隙结构； 耦合距离； 耦合效果

表面等离子体激元(surface plasmon polariton,SPP)是由于金属微结构发生变化而产生的电磁模式,其在金属-介质交界面上传播,且在不受衍射极限限制情况下传播光能量[1-3]。上述特性能够使SPP光电器件在光通信、光计算等领域发挥重要的作用,较为典型的代表性器件就是MgF2层银膜中增加CdS纳米线结构,其光源设计为15 nm的SiO2球包裹14 nm金核,周围密度为6.25×1019cm-3染料分子,得到了输出光谱峰值在530 nm附近,输出光强表现为激光特性[4-6]。还有典型的就是近场扫描光学显微镜下设计的V形SPP波导,实现了波分复用、Bragg光栅滤波等作用。然而尽管研究人员实现了将光场约束到几十纳米的量级,但设计的波导器件损耗依然很大[7-9]。目前SPP波导器件面临的主要困难,在于由于欧姆效应导致的强烈衰减,550 nm的可见光在理想单一界面中传输距离仅仅有2 μm左右,这显然无法实现光子器件的应用[10-13]。为了能够实现SPP器件的应用就需要使耦合长度尽可能的短,设计SPP波导的耦合器就较为重要。基于上述背景,课题组设计一种新型的微波SPP波导的定向耦合器,为实现SPP器件的光电集成提供了新的参考。

1 定向耦合器的模型和传输分析

图1 波导定向耦合器的结构示意图

图1是本次设计的SPP波导的定向耦合器结构,在典型的金属-介质-金属结构中刻蚀2条紧邻的缝隙,2条缝隙是相互平行且大小相同。前人研究表明,这样的结构就能够实现定向耦合。需要描述这一定向耦合的过程,就需要分析金属-介质的SPP本征模式的波导方程。波导方程如下：

Θ(r)φn(r)=sn2φn(r)

(1)

式(1)中,s表述的是本征值,n为模式系数,Θ(r)则是

材料的特征值函数。

表面等离子的频率ωn,能够通过Re[s(ωn))〗=sn得到,而频域函数s(ω)=εd/[εd-εm(ω)]就是Bergman的谱参数,εd则为介质的介电常数,εm则为金属的介电常数。为了明确耦合条件,采用SPP的量子数Np=|a0n|2确定,其中反转粒子数an的经典关系为an=a0nexp(-iωt),这样分析耦合的粒子数与时间关系有耦合条件为

(2)

2 耦合特性分析

先对上述结构进行耦合电磁场分析,设采用的介质的折射率为1.5,入射光波长为650nm,金属采用金,此波长条件下金的有效折射率为0.154+3.812i。设计采用的金属厚度对称，都为200nm。对称缝隙宽度60nm,缝隙之间间隔70nm。图2给出了缝隙的电场分布图,从图中可以看出,在Ex场表现对称分布形式,Ey场表现为反对称分布形式。

图2 缝隙电场分布

进一步分析耦合传播效果,电场传播情况见图3。分析传播结果可以认定SPP通过缝隙1向缝隙渗透,能够实现SPP在缝隙直接周期性传播。且从图中灰暗程度可以看出,随着SPP传播距离的增加电场强度会有明显的减弱,SPP传播只有2 μm左右,这也进一步告诉我们设计定向耦合器需要尽量短。

3 结构特性分析

3.1 缝隙大小对耦合效果影响

讨论缝隙大小对耦合效果的影响。图4为耦合长度Lc随缝隙大小H之间关系,从图中可知,在一定范围内耦合距离与缝隙大小表现为线性的关系。如果将缝隙大小小于100 nm,即小于金属层厚度时,能够实现更高的耦合效率和更短的耦合距离。

图3 缝隙传播过程

图4 缝隙大小与耦合效果分析

图5分析了缝隙大小100 nm时的能流分布,从图中分布可以看出，耦合器的能流大部分集中在与金属条间隔较近的区域,这样能够提高SPP传播的瞬时场,增强耦合效果。

图5 缝隙大小100nm时的能流分布

3.2 缝隙间隔的影响分析

通过以上分析可以知道，设计的耦合器SPP能量沿着两缝隙之间导波,即当缝隙1能量不断降低时,缝隙2的能量将会相应的增加。前期研究发现,因为SPP波导损耗的影响,当缝隙2能量达到最大值时,缝隙1能量在此之前已经减小到最小值,存在一定的相移。为了明确能量功率的特点,图6给出了归一化后的能量最大值转移Pmax与缝隙间隔h之间的关系。从图中趋势可以发现，归一化后的能量最大值转移与缝隙间隔存在负线性的关系,即缝隙间隔越小,耦合转移能量的相移越大。上述结果验证了设计的定向耦合器可以通过减小缝隙间隔提高SPP传播的耦合效果,反之会降低耦合效果。

图6 归一化后的能量最大值转移与缝隙间隔之间的关系

4 小结

文中设计了一种新型微波定向耦合器,分析了缝隙大小、缝隙间隔对传播过程的电场和能流分布影响,结果发现通过减小缝隙间隔和缝隙大小都能提高耦合效果,但电场分布结果表明耦合长度不能设计过长。研究结果为SPP耦合器应用提供了模型和参数依据,为实现SPP波导的光电集成提供了新方法。

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DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.014

Design of microstructure and its characteristic analysis based on laboratory management

Li Bingjing， Wang Hongchao

(College of Hainan Tropical Oceans, Sanya 572002, China)

In order to realize the photoelectric integrated application of the surface plasma device, and by etching 2 adjacent slot structures in the typical metal-medium-metal, a new type of directional coupler is designed. By analyzing the relationship between the waveguide equation and the inversion particle number of the intrinsic mode and time, the coupling conditions of the directional coupler are obtained. The coupler features respectively show that the plasma on the designed gap structure surface can penetrate through the gap 1 to the gap 2, and can realize the periodic propagation of the surface plasma in the gap. The surface plasma propagation is about 2 μm. The coupling distance and aperture size show the linear relationship. When the designed gap is less than 100nm, a higher coupling efficiency and a shorter coupling distance can be realized. The designed directional coupler can improve the coupling effect of the surface plasma propagation by reducing the gap between the slots.

directional coupler; gap structure; coupling distance; coupling effect

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.013

2016-09-28

2014年海南省高等学校科学研究项目(HNKY2014—2015)；2016年海南省社会科学项目(HNSK(YB))；2016年海南省社会科学研究项目(HNSK(YB))；2016年海南省社会科学研究(HNSK(YB))

李冰晶(1983—)，女，海南儋州，硕士，实验师.

E-mail：Lyan987025@163.com

TN22

A

1002-4956(2017)4-0047-04