孟愛妮

（濰坊科技學(xué)院，山東壽光 262700）

新型波導(dǎo)的開關(guān)設(shè)計(jì)及特性分析

孟愛妮

（濰坊科技學(xué)院，山東壽光 262700）

通過SPP（表面等離子體激元）的優(yōu)越特性分析了楔形波導(dǎo)SPP的透射特性，設(shè)計(jì)了嵌有光柵的楔形等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。對(duì)SPP激發(fā)的分析采用衍射光柵耦合的方式，通過改變金屬薄膜厚度以及入射光角度得出其結(jié)構(gòu)特性。結(jié)果表明：金屬薄膜厚度的減少會(huì)導(dǎo)致透射帶寬迅速降低，透射率也隨之下降；而入射光角度的改變會(huì)導(dǎo)致透射光效率的變化。模擬了楔形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的表面等離子體，得到了薄膜厚度的變化透射曲線和入射光角度透射率，得出了透射率變化圖。研究結(jié)果對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備的納米等離子激元耦合具有一定的意義。

楔形波導(dǎo)；表面等離子體；光柵；金屬薄膜

0　引 言

SPP（表面等離子體激元）的獨(dú)特性質(zhì)使其在亞波長(zhǎng)光學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮了極為重要的作用，其中最為典型的是SPP的強(qiáng)局域性。隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)SPP強(qiáng)局域性增強(qiáng)的根本原因是其金屬表面聚集了大量電荷，金屬表面越尖銳，聚集的電荷數(shù)量越多。針對(duì)SPP的上述特性，當(dāng)前已有很多典型應(yīng)用。在太陽能應(yīng)用中，K.R.Catchpole［1］等首次將金屬納米顆粒引入到光伏電池實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)改變粒子大小可以有效改善熒光效果，從而提高轉(zhuǎn)換率。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，SPP還可以應(yīng)用于各種類型的光伏電池中。在熒光應(yīng)用中，Dehage［2］等首次發(fā)現(xiàn)金屬粒子與熒光性能的密切關(guān)系，當(dāng)SPP受到激發(fā)后，其金屬界面電場(chǎng)強(qiáng)度大大增加，使得位于其附近的分子也被增強(qiáng)，拉曼及非線性也是基于同一原理。在光熱治療應(yīng)用中，Loo Christopher等［3］提出將納米粒子導(dǎo)入到腫瘤內(nèi)，利用光熱效應(yīng)殺死癌細(xì)胞，其基本原理是用紅外激光照射激發(fā)納米粒子，使其發(fā)生共振，由于微粒吸收能量，使得局域溫度大大升高，從而殺死癌細(xì)胞。基于以上技術(shù)背景［4］，本文利用一種楔形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來分析SPP傳播的透射性能，對(duì)于SPP波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)集成化和進(jìn)一步分析其在納米等離子學(xué)的發(fā)展具有一定的借鑒作用。

1　楔形表面等離子體理論模型

圖1　光柵嵌入楔形波導(dǎo)模型

1.1結(jié)構(gòu)分析

圖1所示為光柵嵌入楔形波導(dǎo)模型。在金屬層衍射光柵耦合激發(fā)SPP，圖1中的入射波為p極化（磁場(chǎng)矢量沿著一維光柵的狹縫方向）。結(jié)構(gòu)中周期光柵嵌入在高介電常數(shù)波導(dǎo)上，電磁波在x軸向電場(chǎng)上產(chǎn)生極化，等離子體產(chǎn)生在金屬外表面。以θ角入射的p極化微波經(jīng)由內(nèi)置的衍射光柵向SPP耦合，并導(dǎo)致光譜中出現(xiàn)帶寬強(qiáng)吸收和散射峰。周期光柵排列能提供動(dòng)量，并耦合相干散射等離子諧振到傳輸特性的波導(dǎo)模式。系統(tǒng)形成一個(gè)耦合的波導(dǎo)模式系統(tǒng)，并且通過等離子諧振來實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。通過計(jì)算局域SPP的共振頻率、改變光柵幾何尺寸和周圍介質(zhì)的介電常數(shù)，可得到系統(tǒng)性能參數(shù)及等離子體的密度參數(shù)等。

1.2理論模型分析

本文采用衍射光柵結(jié)構(gòu)來激發(fā)表面等離子體，通過光柵衍射過程中產(chǎn)生的能量來實(shí)現(xiàn)波矢補(bǔ)償，從而激發(fā)SPP的產(chǎn)生，其波矢滿足：

式中，ω為SPP的共振頻率；c為光速；θ0為光波矢量與z方向夾角；v為電子傳播速率；ksp為消逝波的波數(shù)。設(shè)介質(zhì)厚度為t，在z＜0空間中的介電系數(shù)和磁導(dǎo)率分別為ε1、μ1；在0＜z＜t處，金屬的介電系數(shù)和磁導(dǎo)率分別為ε2、μ2；在z＞t空間中的介電系數(shù)和磁導(dǎo)率分別為ε3、μ3，對(duì)于TM（橫向電場(chǎng)）極化的外加電磁波所激發(fā)的表面等離子體，ωpe是電子角頻率，這樣電場(chǎng)矢量E和磁場(chǎng)矢量H可分別表示如下：

（1）在z＜0區(qū)域：

（2）在0＜z＜t區(qū)域：

（3）在z＞t區(qū)域：

進(jìn)而得到設(shè)計(jì)波導(dǎo)的SPP共振頻率：

2　仿真結(jié)果及其討論

圖2所示為采用CFL（柯朗數(shù)）對(duì)圖1結(jié)構(gòu)的SPP振動(dòng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布圖。由圖可知，在z=0平面，表面自由電子的集體振動(dòng)在幾十個(gè)納米范圍內(nèi)，越靠近邊界，振蕩效果越明顯。研究表明，隨著介質(zhì)厚度的增加，透射率逐漸降低，且傳輸帶寬變得狹窄，這是由于金屬薄膜的出射光場(chǎng)很弱并且向各個(gè)方向發(fā)散，從而產(chǎn)生透射現(xiàn)象。

圖2　磁場(chǎng)分布圖

由圖2（a）和（b）可知，當(dāng)介質(zhì)1和2同為Si或SiO2材料時(shí)，磁場(chǎng)Hx集中程度與表面等離子波的局域性較差。依據(jù)強(qiáng)度值顏色深灰比照可以發(fā)現(xiàn)，4個(gè)圖中都存在一定的強(qiáng)度最大值附近的集中區(qū)域，說明結(jié)構(gòu)的電磁波局域性較好，有強(qiáng)局域區(qū)域。

圖3所示為介質(zhì)厚度t在130～190 nm之間、以10 nm為步進(jìn)的模擬仿真透射率。由圖可知，當(dāng)金屬介質(zhì)厚度減少時(shí)，透射帶寬會(huì)迅速降低，因此透射峰值也會(huì)逐漸降低。

圖3　透射率

圖4 透射光效率圖

圖4所示為透射光效率圖。當(dāng)光以不同的入射角度0°、30°、60°和90°入射時(shí)，散射光強(qiáng)與透射光效率均會(huì)產(chǎn)生變化。透射光效率是指到金屬表面的等離子波傳輸存在損耗的情況下，金屬薄膜另一端的光強(qiáng)與入射光強(qiáng)的比值。

3　結(jié)束語

通過設(shè)計(jì)楔形波導(dǎo)來激發(fā)SPP，得到了在CFL條件下的振動(dòng)示意圖，所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的局域化程度較好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，金屬薄膜厚度的減小會(huì)導(dǎo)致透射帶寬迅速降低，透射率也隨之下降；入射光角度的改變會(huì)導(dǎo)致透射光效率的變化。所設(shè)計(jì)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和得到的傳輸特性對(duì)研究半導(dǎo)體設(shè)備特別是光開關(guān)具有理論和實(shí)際意義。

［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］ 劉亞青，張玉萍，張會(huì)云，等.光抽運(yùn)多層石墨烯太赫茲表面等離子體增益特性的研究［J］.物理學(xué)報(bào)，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

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（5140617）；江蘇省純電動(dòng)微型車驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)可靠性研究項(xiàng)目（2015QCCD-008）

孟愛妮（1985-），女，山東壽光人。講師，碩士，主要研究方向?yàn)殡娮优c通信控制。