石墨烯混合等离子体波导光子轨道角动量产生及转换器设计

1

作者 肖之伟 陈竞翔 +2 位作者 江莹 曹振洲 杨春勇 《中南民族大学学报（自然科学版）》 CAS 2024年第3期378-383,共6页

为满足现代社会对通信容量日益增长的需求,设计了一种基于石墨烯混合等离子体波导的可重构光子轨道角动量产生及转换器,利用时域有限差分法对器件的性能进行了仿真分析.仿真结果表明:石墨烯费米能级为0 eV时,该装置实现了拓扑荷由+1向−... 为满足现代社会对通信容量日益增长的需求,设计了一种基于石墨烯混合等离子体波导的可重构光子轨道角动量产生及转换器,利用时域有限差分法对器件的性能进行了仿真分析.仿真结果表明:石墨烯费米能级为0 eV时,该装置实现了拓扑荷由+1向−1或者−1向+1的光子轨道角动量的转换,转换效率达到93.6%;石墨烯费米能级为0.9 eV时,该装置可以将线偏振光转换为携带轨道角动量的涡旋光,此时该器件还可以用于识别拓扑荷为±1的涡旋光. 展开更多

关键词 光子轨道角动量 石墨烯 混合等离子体波导 双折射效应 模式耦合

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一种低损耗的对称双楔形太赫兹混合表面等离子体波导 被引量：1

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作者 王芳 张龙 +3 位作者 马涛 王旭 刘玉芳 马春旺 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第7期74-82,共9页

本文研究了一种适用于太赫兹频段的对称双楔形混合等离子体波导.采用有限元法对其混合模式特征进行数值模拟,阐述了波导的传播长度、归一化有效模场面积和品质因子等特性随波导几何参数的变化规律.结果表明,对称双楔形混合等离子体波导... 本文研究了一种适用于太赫兹频段的对称双楔形混合等离子体波导.采用有限元法对其混合模式特征进行数值模拟,阐述了波导的传播长度、归一化有效模场面积和品质因子等特性随波导几何参数的变化规律.结果表明,对称双楔形混合等离子体波导在太赫兹频段可获得良好的模场约束能力和低损耗特性,在有效模场面积达到λ2/10280时,传播长度达到51 × 103 μm.波导参数最优时的平行对称楔形波导在忽略波导间串扰时,波导间距小于16 μm时的耦合长度约为8958 μm.通过对比发现,相比于先前的对称微楔形波导结构和对称蝴蝶结波导结构,对称双楔形混合等离子体波导在传输特性和耦合特性方面都具有更大的优势,将在光学力捕获、生物分子传输以及高密度集成电路设计等方面具有潜在的应用前景. 展开更多

关键词 混合等离子波导 表面等离子体 传输特性 耦合特性

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基于半导体纳米线和金属脊的混合表面等离子体波导模式特性分析 被引量：5

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作者 周沛 卢启景 +1 位作者 吴根柱 陈达如 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第12期1460-1463,共4页

设计了由半导体纳米线和半圆顶金属脊组成的混合表面等离子体波导.通过有限元法对这种波导所支持混合模式的深亚波长局域、传播损耗等特性进行了数值计算.结果表明,在工作波长为1.55μm的情况下,混合模式的最小模面积仅为0.001 81(λ2/... 设计了由半导体纳米线和半圆顶金属脊组成的混合表面等离子体波导.通过有限元法对这种波导所支持混合模式的深亚波长局域、传播损耗等特性进行了数值计算.结果表明,在工作波长为1.55μm的情况下,混合模式的最小模面积仅为0.001 81(λ2/4),同时保持20μm的传播距离;与同类结构波导相比具有模场面积小,光传播距离远等优点,在光子集成元器件及光子集成电路等领域具有潜在应用价值. 展开更多

关键词 混合表面等离子体波导 模式面积 传播损耗 衍射极限

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介质加载型混合表面等离子体波导的损耗特性 被引量：3

4

作者 李志全 牛力勇 +3 位作者 严蕾 朱君 王志斌 郑文颖 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2015年第2期677-681,共5页

为实现长距离传输及亚波长尺度的模式限制,在传统介质加载型表面等离子结构的基础上,设计了一种微孔介质加载混合表面等离子体波导,采用时域有限差分法(FDTD)对该波导模式场分布及传输特性进行了相应的研究。研究表明所设计的波导结构... 为实现长距离传输及亚波长尺度的模式限制,在传统介质加载型表面等离子结构的基础上,设计了一种微孔介质加载混合表面等离子体波导,采用时域有限差分法(FDTD)对该波导模式场分布及传输特性进行了相应的研究。研究表明所设计的波导结构具有较强的局域场限制,通过在孔内填充增益介质,使混合等离子体波导的传输损耗得到了补偿,输出端的表面等离子激元实现了增益放大。结果表明,通过调整波导的几何参数和电磁参数,可以显著提高波导的场限制,降低波导本身的损耗,其中当孔与金属之间距离为44 nm时,波导的损耗达最小约为-13 d B/μm。这一设计可以为光子器件集成提供一定的理论和实验借鉴价值。 展开更多

关键词 混合表面等离子体波导 介质加载 增益介质 传输特性

原文传递

带有增益介质层的混合脊状等离子体波导的传输特性 被引量：1

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作者 李志全 郑文颖 +2 位作者 牛力勇 李晓云 李莎 《发光学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第1期98-103,共6页

在传统脊状等离子体波导的基础上设计了一种带有增益介质层的新型混合脊状等离子体波导,其结构中的介质层部分包含两个区域:前区为单一介质,后区的脊是由2种介质构成的双层脊区。采用二维时域有限差分方法分析了波导结构的传输特性,得到... 在传统脊状等离子体波导的基础上设计了一种带有增益介质层的新型混合脊状等离子体波导,其结构中的介质层部分包含两个区域:前区为单一介质,后区的脊是由2种介质构成的双层脊区。采用二维时域有限差分方法分析了波导结构的传输特性,得到了TM模下的电场分布图,并对输出功率以及传输损耗与结构参数和介质折射率的变化规律进行了讨论。结果表明,在波导中引入的增益介质材料磷化铟后其损耗达到-6 dB/μm。此种波导结构对于光集成芯片的研究与制作具有重要意义。 展开更多

关键词 混合等离子体波导 增益介质 传输特性

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金属脊-三角形半导体型混合表面等离子体波导

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作者 李志全 岳中 +4 位作者 白兰迪 刘同磊 冯丹丹 顾而丹 李文超 《红外与毫米波学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2017年第6期761-766,共6页

提出了一种新颖的基于金属脊-三角形半导体的混合表面等离子体波导结构,基于有限元法对该波导结构进行了数值仿真和分析.主要研究了该结构的电场分布、传输长度、归一化模场面积和质量因数.结果表明:在工作波长为1 550 nm时,通过优化参... 提出了一种新颖的基于金属脊-三角形半导体的混合表面等离子体波导结构,基于有限元法对该波导结构进行了数值仿真和分析.主要研究了该结构的电场分布、传输长度、归一化模场面积和质量因数.结果表明:在工作波长为1 550 nm时,通过优化参数,其有效模场面积达到0.00193 λ~2,传输长度为37.7μm,质量因数为4853,该结构具有较低的损耗.与金属平板混合波导结构相比,具有更大的质量因数,更强的光场限制能力,波导的综合性能更好.这种波导结构在微纳米光子学、光电子通讯和光信息存储等领域具有广阔应用前景. 展开更多

关键词 混合表面等离子体波导 传输特性 有限元法 表面等离子体

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纳米金属肋混合表面等离子体波导模式特性分析 被引量：6

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作者 王聪 吴根柱 +2 位作者 周沛 张蒙 陈达如 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第9期1-5,共5页

基于传统混合表面等离子体波导,提出了一种半导体纳米线和纳米金属肋混合的表面等离子体波导.采用有限元法对其模式特性进行了数值模拟,研究了该波导的有效折射率、传播损耗、归一化模场面积等特性随波导几何尺寸的变化规律,分析了该混... 基于传统混合表面等离子体波导,提出了一种半导体纳米线和纳米金属肋混合的表面等离子体波导.采用有限元法对其模式特性进行了数值模拟,研究了该波导的有效折射率、传播损耗、归一化模场面积等特性随波导几何尺寸的变化规律,分析了该混合波导的增益阈值.结果表明:该波导具有较低的传播损耗和较强的光场限制能力,并且混合模式的最小模面积仅为0.001 52μm2. 展开更多

关键词 混合表面等离子体波导 模式特性 增益阈值 表面等离子体纳米激光器

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硅基结构混合等离子激元波导模式特性的数值研究 被引量：2

8

作者 赵丽美 关建飞 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2015年第4期1329-1334,共6页

首先建立了一种由相同宽度的金属带,Si O2间隔层与Si介质脊构成的导体-夹层-硅基结构(Conductor-Gap-Silicon,CGS)的混合等离子激元波导模型,分析了间隔层的厚度以及波导宽度对模式传输特性的影响,提出了模场面积为0.08μm2与430μm传... 首先建立了一种由相同宽度的金属带,Si O2间隔层与Si介质脊构成的导体-夹层-硅基结构(Conductor-Gap-Silicon,CGS)的混合等离子激元波导模型,分析了间隔层的厚度以及波导宽度对模式传输特性的影响,提出了模场面积为0.08μm2与430μm传输距离的设计方案。在此基础上,通过增加数值模型中介质脊的宽度而形成硅基板CGS波导结构。数值分析结果表明:硅基板CGS波导可将模式有效折射率增至2.8,同时传输长度能够延长到1.74 mm。并且模场面积可以进一步压缩到0.025μm2。此外,硅基板CGS波导制作更加简便,并可采用现有COMS制作技术完成,进而具有较大的实用前景。 展开更多

关键词 混合等离子体波导 表面等离子体激元 传输长度 有效模场面积 耦合长度

原文传递

非对称银膜多孔硅-氟化钙等离子体波导及其波导灵敏度特性 被引量：1

9

作者 王芳 陈亚珂 +4 位作者 李传强 马涛 卢颖慧 刘恒 金婵 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2021年第22期55-65,共11页

本文研究了一种非对称银膜多孔硅-氟化钙混合等离子体波导,并对其模式特性和波导灵敏度进行了分析.利用有限元方法分析了波导中两个不同偏振态基模(PM 1和PM 2)的有效折射率、传输损耗、归一化有效模场面积、品质因数和波导灵敏度,并对... 本文研究了一种非对称银膜多孔硅-氟化钙混合等离子体波导,并对其模式特性和波导灵敏度进行了分析.利用有限元方法分析了波导中两个不同偏振态基模(PM 1和PM 2)的有效折射率、传输损耗、归一化有效模场面积、品质因数和波导灵敏度,并对几何参数进行优化.结果表明,在中红外波长3.5μm附近,非对称银膜多孔硅-氟化钙混合等离子体波导具有良好的模场约束能力和低损耗特性;此时,PM 1和PM 2的归一化有效模场面积分别为0.30和0.52,传输损耗分别为0.019 dB/μm和0.016 dB/μm,品质因数分别为1335.54和1594.99,波导灵敏度分别为0.080和0.064.通过制造容差分析可知,非对称银膜多孔硅-氟化钙混合等离子波导在±10 nm的制造容差范围内保持了良好的模式特性和传感特性.非对称银膜多孔硅-氟化钙混合等离子体波导结构简单,损耗小,易于实现表面等离子体传感,为无标记生物化学传感提供了一种可行的方案,另外,波导的非对称结构也可用于模式偏振态变换. 展开更多

关键词 混合等离子波导 表面等离子体 传输特性 波导灵敏度

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非线性介质的表面等离子体波导设计和优化

10

作者 王丽华 黄志祥 +1 位作者 况晓静 吴先良 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第2期35-39,共5页

设计了一种基于非线性介质Si-NC/SiO2的混合表面等离子体波导,利用有限元方法定量分析了这种波导所支持基模的能流密度分布、有效折射率、传播长度和有效面积与几何结构参数以及非线性介质的依赖关系.分析结果表明,光场主要被限制在非... 设计了一种基于非线性介质Si-NC/SiO2的混合表面等离子体波导,利用有限元方法定量分析了这种波导所支持基模的能流密度分布、有效折射率、传播长度和有效面积与几何结构参数以及非线性介质的依赖关系.分析结果表明,光场主要被限制在非线性区域,通过调节非线性层的厚度以及非线性比例因子,可以实现模式的有效折射率和传播长度等传输特性参数的调节.固定非线性介质比例因子,有效折射率和传播距离随非线性层厚度增加而增大;固定波导尺寸,有效折射率随比例因子增大而增大,传播距离和有效面积较小.最后,根据分析结果对非线性效应进行优化,优化后波导最优结构尺寸为波导宽度为250nm,非线性材料层厚度为100nm,硅层厚度为150nm. 展开更多

关键词 非线性介质 有限元法 混合表面等离子体波导 能流密度 折射率

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改进型混合表面等离子体微腔激光器的研究

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作者 董伟 王志斌 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2018年第19期210-219,共10页

设计了一种拥有增益介质脊和空气间隙的改进型混合表面等离子体微腔激光器,并在微腔的两端面镀一层50 nm厚的银反射镜,有效地提高了纳米激光器的性能.基于COMSOL Multiphysics软件分别构建二维截面和三维立体模型,在1550 nm的工作波长... 设计了一种拥有增益介质脊和空气间隙的改进型混合表面等离子体微腔激光器,并在微腔的两端面镀一层50 nm厚的银反射镜,有效地提高了纳米激光器的性能.基于COMSOL Multiphysics软件分别构建二维截面和三维立体模型,在1550 nm的工作波长下对该改进型结构的传输性能以及微腔性能进行分析.结果表明:该激光器具有显著的亚波长限制能力和很大的传输距离,最长距离可以达到1.29 mm.测试该激光器的微腔性能时,通过调整结构参数获得了高质量因子、低增益阈值以及深亚波长下的超小有效模式体积0.001092μm^3和超高的Purcell因子8.29×10~5.与先前结构对比,在结构参数统一时,所设计的结构具有更低的激光激射阈值和更强的微腔局域能力.所设计的改进型混合表面等离子体微腔激光器可以作为各种光子器件的基本构建模块,并可应用于传感、纳米聚焦和纳米激光等领域. 展开更多

关键词 混合表面等离子体波导 纳米激光器 有限元法 微腔

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基于混合表面等离子体波导的纳米激光器 被引量：7

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作者 李志全 彭涛 +5 位作者 张明 岳中 顾而丹 李文超 冯丹丹 刘同磊 《中国激光》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第10期31-36,共6页

提出了一种基于混合表面等离子体波导(HPW)的纳米激光器,并对其进行了理论研究和仿真分析。此结构通过金属-介质界面的表面等离子体模式与高增益介质半导体纳米线波导模式耦合,使中间的空气间隙场强得到显著增大,并保持低损耗传输,实现... 提出了一种基于混合表面等离子体波导(HPW)的纳米激光器,并对其进行了理论研究和仿真分析。此结构通过金属-介质界面的表面等离子体模式与高增益介质半导体纳米线波导模式耦合,使中间的空气间隙场强得到显著增大,并保持低损耗传输,实现对输出光场的深亚波长约束。通过对几何参数进行优化,得到具有较小阈值和较高品质因数的纳米激光器。与边缘耦合混合表面等离子体纳米激光器比较可知,当二者的几何参数相同时,基于HPW的纳米激光器具有更小的阈值。 展开更多

关键词 激光器 表面等离子体 纳米激光器 有限元 混合表面等离子体波导

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一种对称混合长程表面等离子激元波导传输特性研究(英文) 被引量：5

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作者 张冠茂 孙海丽 +1 位作者 李建明 赵海 《激光与光电子学进展》 CSCD 北大核心 2013年第12期107-113,共7页

提出一种新颖的对称混合长程表面等离子激元波导结构并对其进行了数值分析。结果表明在传播长度与模式限制两个特性之间实现了很好的平衡。在通信波长1550nm处,利用有限元数值仿真方法分析了该结构在不同介质尺寸下基模的有效折射率、... 提出一种新颖的对称混合长程表面等离子激元波导结构并对其进行了数值分析。结果表明在传播长度与模式限制两个特性之间实现了很好的平衡。在通信波长1550nm处,利用有限元数值仿真方法分析了该结构在不同介质尺寸下基模的有效折射率、模式宽度、传播长度和品质因数。计算结果表明:对称混合长程表面等离子激元波导的传播长度及传播长度最大值点的品质因数都有明显的提高。鉴于这些优点,该对称混合长程表面等离子激元波导在实现高性能、高密度的光子集成电路方面具有一定的潜在用途。 展开更多

关键词 集成光学 对称混合长程表面等离子激元波导 有限元法 传播长度 模式宽度 品质因数

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带有对称三角肋的混合表面等离子体波导 被引量：2

14

作者 王志斌 尹少杰 +3 位作者 段晓宁 邓玉萍 董伟 孔祥瑞 《中国激光》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第3期297-304,共8页

设计了一种金属三角肋和增益介质三角肋完全对称并带有圆柱形空气缝隙的新型混合等离子体波导结构。采用COMSOL Multiphysics软件,分别仿真了波导的二维和三维耦合电场分布模型,并基于有限元法分析了波导的模式特性。研究结果表明:当工... 设计了一种金属三角肋和增益介质三角肋完全对称并带有圆柱形空气缝隙的新型混合等离子体波导结构。采用COMSOL Multiphysics软件,分别仿真了波导的二维和三维耦合电场分布模型,并基于有限元法分析了波导的模式特性。研究结果表明:当工作波长为1550 nm时,设计的波导结构具有很强的光场约束能力、超长的传输距离、超低的传输损耗和增益阈值。对波导的结构参数进行了优化,当波导的有效模场面积达到0.0022λ2时,波导的传输距离能够达到69805 nm,传输损耗低至0.0017;基于此波导的激光器也具有很低的增益阈值,为49.3 cm-1。最后研究了实际制备过程中可能出现的制作误差对波导性能的影响,并分析得出此波导结构对制作误差具有较高的容忍度。与同类型带有空气缝隙的波导结构相比,此波导的综合性能更优,在各种集成纳米光子设备中具有很大的应用潜力。 展开更多

关键词 光电子学 等离子体激元 混合表面等离子体波导 有限元法 模式特性 制作误差容忍度

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深亚波长约束的表面等离子体纳米激光器研究 被引量：4

15

作者 黄洪 赵青 +2 位作者 焦蛟 梁高峰 黄小平 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2013年第13期384-389,共6页

本文提出了一种新颖的基于半导体纳米线/空气间隙/金属薄膜复合结构的表面等离子体纳米激光器,并给出了理论研究和仿真分析.这种结构通过金属界面的表面等离子体模式与高增益介质纳米线波导模式耦合,从而使场增强效应得到显著提高.同时... 本文提出了一种新颖的基于半导体纳米线/空气间隙/金属薄膜复合结构的表面等离子体纳米激光器,并给出了理论研究和仿真分析.这种结构通过金属界面的表面等离子体模式与高增益介质纳米线波导模式耦合,从而使场增强效应得到显著提高.同时通过数值仿真研究,得到该混合波导结构的模式特性和增益阈值随空气槽宽度、纳米线半径的变化规律,表明它可以实现对输出光场的深亚波长约束,同时保持低损耗传输和高场强限制能力.通过最优化选择,最终得到纳米等离子体激光器的最优结构尺寸. 展开更多

关键词 表面等离子体 混合等离子体波导 纳米激光器

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表面等离子激元纳米激光器综述 被引量：9

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作者 杨琳 段智勇 +1 位作者 马刘红 李梦珂 《激光与光电子学进展》 CSCD 北大核心 2019年第20期126-138,共13页

基于表面等离子激元的纳米激光器能够将光源的尺寸降低几个数量级,结合表面等离子体波可将波长限制在纳米尺度内传输,突破衍射极限,从而实现与电子学器件的尺寸相匹配,最终实现整个光互连系统的小型化和低功耗。简述了表面等离子激元的... 基于表面等离子激元的纳米激光器能够将光源的尺寸降低几个数量级,结合表面等离子体波可将波长限制在纳米尺度内传输,突破衍射极限,从而实现与电子学器件的尺寸相匹配,最终实现整个光互连系统的小型化和低功耗。简述了表面等离子激元的基本原理,对近年来的表面等离子激元纳米激光器的研究工作进行了总结,详细介绍了各种结构及其优势,指出了该类激光器在开发过程中面临的挑战和今后的工作重点,展望了纳米激光器广泛的应用前景。 展开更多

关键词 激光器 表面等离子激元 混合表面等离子体波导 回音壁模式

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