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基于表面等離子激元的新型可調諧微共振環(huán)濾波器分
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時(shí)間：2010-06-11
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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0引言
表面等離子激元(簡(jiǎn)稱(chēng)SPPs)早在1950年的Ritchie工作之后就被人們所認識。它們本質(zhì)上是光子和導體中的自由電子相互作用而被表面俘獲的廣波，或者說(shuō)是自由電子和光波電磁場(chǎng)由于共振頻率相同而形成的一種集體振蕩態(tài)。
SPPs沿著(zhù)導體一電解質(zhì)分界面處傳播，傳播距離大約是幾百納米到幾微米，并在垂直表面的兩個(gè)方向上，均以指數式衰減。傳統光學(xué)由于衍射極限的限制，只能把光子器件做到波長(cháng)(λ／n)量級，而無(wú)法滿(mǎn)足集成光學(xué)的需求，而基于表面等離子激元的光子器件則打破了衍射極限的限制，可以將光束縛在亞波長(cháng)結構中傳播，故有利于光器件的集成化發(fā)展。
基于表面等離子激元的光波導由于可以將光場(chǎng)限制的很小，因而可以實(shí)現非常急劇的彎曲，進(jìn)而可以做成非常小的環(huán)狀波導。本文研究的基于表面等離子激元的共振環(huán)濾波器就是一種十分重要，也是十分基礎的光學(xué)器件，在光通信中有著(zhù)很廣泛的應用(如光開(kāi)關(guān)，波分復用等)。
1 表面等離子激元的特性
在合適的邊界條件下解Maxwell方程，可以得到SPPs的色散關(guān)系：
其中，ε是金屬的介電常數，εd是電介質(zhì)的介電常數，kspp是SPPs的波矢，k0=ω／C是自由空間的波矢。色散關(guān)系公式(1)中，金屬的介電常數ε采用Drude模型：
，其中ε∞是帶間躍遷對的介電常數，ω是等離子共振頻率，γ是電子碰撞頻率。由式(1)可以看出，由于kspp>k0，SPPs的動(dòng)量與入射光子的動(dòng)量不匹配，所以，在通常情況下，SPPs不能被激發(fā)，它可以通過(guò)在金屬表面引入亞波長(cháng)缺陷等方法來(lái)激發(fā)。
2 可調諧諧振環(huán)濾波器結構分析
圖1所示是基于表面等離子激元的結構模型，它由一根長(cháng)直波導和一個(gè)環(huán)形波導構成，其波導材料均為sio2，周?chē)采w的金屬金、銀、鋁等都是常用的金屬，對于在光頻段來(lái)說(shuō)，銀(Ag)的損耗要小。該濾波器的具體數值：長(cháng)直波導的寬度和環(huán)狀波導寬度w均為200 nm。環(huán)的半徑R是1μm，環(huán)與長(cháng)直波導相距30 nm(直波導的下層到環(huán)形波導外層的距離)。光由入射端(端口1)進(jìn)入長(cháng)直波導，通過(guò)共振器(環(huán)形波導)在出射端(端口2)射出，出射強度由直波導中的導模和環(huán)狀波導中的導模相互干射決定。由于環(huán)形波導中的導模位相是周期性變化的，因此估計出射端的光場(chǎng)強度也將隨一定的周期變化。假設光在波導內的傳播以及光的耦合沒(méi)有損耗，而且在波導內只有單一模式傳播，那么，理論上的透射率為：
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