新型波導的開關設計及特性分析

孟愛妮

（濰坊科技學院，山東壽光 262700）

新型波導的開關設計及特性分析

孟愛妮

（濰坊科技學院，山東壽光 262700）

通過SPP（表面等離子體激元）的優越特性分析了楔形波導SPP的透射特性，設計了嵌有光柵的楔形等離子體波導結構。對SPP激發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構特性。結果表明：金屬薄膜厚度的減少會導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導致透射光效率的變化。模擬了楔形波導結構的表面等離子體，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。研究結果對半導體設備的納米等離子激元耦合具有一定的意義。

楔形波導；表面等離子體；光柵；金屬薄膜

0　引 言

SPP（表面等離子體激元）的獨特性質使其在亞波長光學領域發揮了極為重要的作用，其中最為典型的是SPP的強局域性。隨著研究的深入，人們發現SPP強局域性增強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，聚集的電荷數量越多。針對SPP的上述特性，當前已有很多典型應用。在太陽能應用中，K.R.Catchpole［1］等首次將金屬納米顆粒引入到光伏電池實驗中，發現改變粒子大小可以有效改善熒光效果，從而提高轉換率。經過實驗發現，SPP還可以應用于各種類型的光伏電池中。在熒光應用中，Dehage［2］等首次發現金屬粒子與熒光性能的密切關系，當SPP受到激發后，其金屬界面電場強度大大增加，使得位于其附近的分子也被增強，拉曼及非線性也是基于同一原理。在光熱治療應用中，Loo Christopher等［3］提出將納米粒子導入到腫瘤內，利用光熱效應殺死癌細胞，其基本原理是用紅外激光照射激發納米粒子，使其發生共振，由于微粒吸收能量，使得局域溫度大大升高，從而殺死癌細胞。基于以上技術背景［4］，本文利用一種楔形波導結構來分析SPP傳播的透射性能，對于SPP波導實現集成化和進一步分析其在納米等離子學的發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　光柵嵌入楔形波導模型

1.1結構分析

圖1所示為光柵嵌入楔形波導模型。在金屬層衍射光柵耦合激發SPP，圖1中的入射波為p極化（磁場矢量沿著一維光柵的狹縫方向）。結構中周期光柵嵌入在高介電常數波導上，電磁波在x軸向電場上產生極化，等離子體產生在金屬外表面。以θ角入射的p極化微波經由內置的衍射光柵向SPP耦合，并導致光譜中出現帶寬強吸收和散射峰。周期光柵排列能提供動量，并耦合相干散射等離子諧振到傳輸特性的波導模式。系統形成一個耦合的波導模式系統，并且通過等離子諧振來實現調諧。通過計算局域SPP的共振頻率、改變光柵幾何尺寸和周圍介質的介電常數，可得到系統性能參數及等離子體的密度參數等。

1.2理論模型分析

本文采用衍射光柵結構來激發表面等離子體，通過光柵衍射過程中產生的能量來實現波矢補償，從而激發SPP的產生，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。設介質厚度為t，在z＜0空間中的介電系數和磁導率分別為ε1、μ1；在0＜z＜t處，金屬的介電系數和磁導率分別為ε2、μ2；在z＞t空間中的介電系數和磁導率分別為ε3、μ3，對于TM（橫向電場）極化的外加電磁波所激發的表面等離子體，ωpe是電子角頻率，這樣電場矢量E和磁場矢量H可分別表示如下：

（1）在z＜0區域：

（2）在0＜z＜t區域：

（3）在z＞t區域：

進而得到設計波導的SPP共振頻率：

2　仿真結果及其討論

圖2所示為采用CFL（柯朗數）對圖1結構的SPP振動產生的磁場分布圖。由圖可知，在z=0平面，表面自由電子的集體振動在幾十個納米范圍內，越靠近邊界，振蕩效果越明顯。研究表明，隨著介質厚度的增加，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很弱并且向各個方向發散，從而產生透射現象。

圖2　磁場分布圖

由圖2（a）和（b）可知，當介質1和2同為Si或SiO2材料時，磁場Hx集中程度與表面等離子波的局域性較差。依據強度值顏色深灰比照可以發現，4個圖中都存在一定的強度最大值附近的集中區域，說明結構的電磁波局域性較好，有強局域區域。

圖3所示為介質厚度t在130～190 nm之間、以10 nm為步進的模擬仿真透射率。由圖可知，當金屬介質厚度減少時，透射帶寬會迅速降低，因此透射峰值也會逐漸降低。

圖3　透射率

圖4 透射光效率圖

圖4所示為透射光效率圖。當光以不同的入射角度0°、30°、60°和90°入射時，散射光強與透射光效率均會產生變化。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與入射光強的比值。

3　結束語

通過設計楔形波導來激發SPP，得到了在CFL條件下的振動示意圖，所設計結構波導的局域化程度較好。實驗結果表明，金屬薄膜厚度的減小會導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導致透射光效率的變化。所設計的波導結構和得到的傳輸特性對研究半導體設備特別是光開關具有理論和實際意義。

［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，張會云，等.光抽運多層石墨烯太赫茲表面等離子體增益特性的研究［J］.物理學報，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

國家自然科學基金資助項目（5140617）；江蘇省純電動微型車驅動橋結構可靠性研究項目（2015QCCD-008）

孟愛妮（1985-），女，山東壽光人。講師，碩士，主要研究方向為電子與通信控制。