等離子體激元波導(dǎo)傳輸在對稱混合長程表面的特點分析

秦旗+徐熙平+蘇陽+劉大暢

摘 要：隨著光電子學(xué)與納米技術(shù)的發(fā)展與進步，集成光學(xué)技術(shù)對于集成系統(tǒng)的密度以及其他方面都有較高的要求。二表面等離子體激元波導(dǎo)可以在最大的程度上把電磁場約束在金屬和介質(zhì)的分界面處，在光子學(xué)應(yīng)用上有著較大的可行性，能夠很好地符合光子學(xué)的高速率速度傳輸，從而使其可以突破衍射極限帶來的限制，增強系統(tǒng)的集成密度。本文從等離子體激元波導(dǎo)傳輸在對稱混合長程表面的傳輸出發(fā)，探討在這個傳輸介質(zhì)中出現(xiàn)的傳輸特點，從而對其進行優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：等離子體激元波導(dǎo)；對稱混合長程表面；激光傳輸介質(zhì)；介質(zhì)分析

計算機和微電子技術(shù)的發(fā)展對數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣纫灿兄艽蟮囊螅S著技術(shù)的改善，光纖損耗技術(shù)的降低也讓光纖通信有了良好的發(fā)展空間，隨著通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)信號的處理要求不斷提高，新一代的光電系統(tǒng)在生活中的應(yīng)用范圍也越來越廣，集成光學(xué)在生活和研究領(lǐng)域的重要性也在不斷增加，逐漸成為研究領(lǐng)域的熱點之一。

1 表面等離子體的理論基礎(chǔ)

在很久以前，人們就已經(jīng)對金屬表面的等離子共振有著一定的了解和接觸，在這一現(xiàn)象尚未上升到理論高度的時候，人們在無意之中采用金屬的這個特性進行了一些簡單物品的制作，比如利用金屬納米結(jié)構(gòu)的選擇性散射和透射的效應(yīng)，把不同種類的金屬顆粒摻雜進彩色的玻璃當(dāng)中，從而生產(chǎn)出各種各樣顏色的玻璃，用作不同的裝飾品，如在制備玻璃杯的時候，在制作玻璃的時候摻入微量的金粉和銀粉，這樣就能讓玻璃杯呈現(xiàn)出不同的顏色，如不透明的綠色和半透明的紅色，這就是等離子體在人類尚不能理論化這個現(xiàn)象時候的初級應(yīng)用。

一般情況下，貴金屬才是表面離子體產(chǎn)生的重要介質(zhì)，因為貴金屬當(dāng)中可以實現(xiàn)電子躍遷，可以使能量衰減少，這樣在金屬尺寸縮小到幾十納米量級的時候，要使用麥克斯韋的電磁方程來進行理論上的建模與分析。

在日常的生活當(dāng)中，金屬頻率的可見光波段會因為反射光比較多而阻礙同屬性的其他電磁波進入和穿過。在微波和遠紅外的波段中，波導(dǎo)的包層可以使用某些金屬作為代替，而且隨著頻率的不斷增大，電磁波對于金屬的穿透能力也在不斷增強，也會帶來更大的損耗，在這個狀態(tài)下，我們可以使用德魯特模型進行性質(zhì)的描述。

表面等離子體的激元波導(dǎo)傳輸是外界在電磁場的作用下對電子自由振動的傳播以及入射光子的相互作用而產(chǎn)生的電磁波，電磁波沿著金屬和介質(zhì)的分界面進行傳播。它的振幅在垂直于傳播方向上有著和傳播深度呈反比方向的關(guān)系。在兩個相異的均勻媒質(zhì)分界面處，介電常數(shù)是正實數(shù)的媒質(zhì)就是介質(zhì)，而介電常數(shù)呈現(xiàn)復(fù)數(shù)狀態(tài)的就是金屬，在金屬和介質(zhì)的分界面處，一定頻率的光波照射會引起金屬中自由電子的震蕩從而引起共振。

2 混合長程表面等離子體激元波導(dǎo)傳輸?shù)姆治?/p>

（一）混合長程表面等離子體波的特點

最近引用較多的混合長程表面結(jié)構(gòu)就是三層結(jié)構(gòu)，分別是IMI結(jié)構(gòu)與MIM結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)當(dāng)中間層比較厚的時候，兩個分界面的表面等離子體波互不干擾，而隨著中間層厚度的減少，兩個分界面上的表面等離子體波開始進行交疊，從而產(chǎn)生耦合的現(xiàn)象。我們對這種現(xiàn)象進行分析，發(fā)現(xiàn)場限制能力較強的結(jié)構(gòu)會有較大的傳輸損耗，而傳播長度和場限制能力是互相制約的，在IMI結(jié)構(gòu)中，電磁能量向兩邊集中，所以傳播長度交纏，傳播距離也會大大增大，所以這就是長程表面等離子體波。

混合長程表面等離子體波具有傳輸距離較長、平面集成較為便利的特點，所以隨著金屬厚度的減少，表面等離子體的傳輸常數(shù)的虛數(shù)部分會趨向于0.從而可以進行較長的傳輸。這種易于被光纖介質(zhì)波導(dǎo)激發(fā)的方式以及得到了廣泛的應(yīng)用，而且有著可以實現(xiàn)模場放大的可能性。

（二）混合長程表面等離子體激元波導(dǎo)的簡介

混合長程表面等離子體激元波導(dǎo)是長程表面等離子體波和高折射率下的對比效應(yīng)的混合狀態(tài)，這種狀態(tài)下等離子體波到有額外的場限制能力，傳播長度也有著提升，對三維的集成光學(xué)電路的發(fā)展鋪平了道路，通過詳盡的計算，有著新型結(jié)構(gòu)的初步實行方案。新型的結(jié)構(gòu)注重傳播長度、模式寬度的統(tǒng)一。

在具體的制造過程中，對稱混合長程表面的等離子體波到是所有層和介質(zhì)材料以及過程中化學(xué)蒸汽的疊加，所以有著一定的制造誤差，要注重理想尺寸的精確程度。而側(cè)向模場限制也是需要很多關(guān)注的，而且傳播的損耗會由于模場限制而有所降低，在這個過程中，橫向模場限制在沒有彎曲損耗計算的情況下可以基本確定最低彎曲半徑的實現(xiàn)，從而使模式寬度成為一個關(guān)鍵的參數(shù)。在耦合長度方面，水平放置的平行波導(dǎo)要大于垂直放置狀態(tài)，而包層波導(dǎo)的耦合長度要比非包層波導(dǎo)的耦合長度長，兩個相鄰波導(dǎo)的串?dāng)_減小也會導(dǎo)致耦合長度的增加。

3 結(jié)語

新型的對稱混合長程表面等離子體激元波導(dǎo)有著優(yōu)點和缺點，要注重分析介質(zhì)加載的表面等離子體，和長程表面等離子體的優(yōu)點與缺點，對對稱混合長程表面等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進行一定的優(yōu)化。

參考文獻：

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