等離子體激元波導(dǎo)傳輸在對(duì)稱混合長(zhǎng)程表面的特點(diǎn)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(jìn)步，集成光學(xué)技術(shù)對(duì)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(chǎng)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(qiáng)系統(tǒng)的集成密度。本文從等離子體激元波導(dǎo)傳輸在對(duì)稱混合長(zhǎng)程表面的傳輸出發(fā)，探討在這個(gè)傳輸介質(zhì)中出現(xiàn)的傳輸特點(diǎn)，從而對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

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

計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣纫灿兄艽蟮囊?，隨著技術(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(hào)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(diǎn)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(duì)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(shí)候，人們?cè)跓o意之中采用金屬的這個(gè)特性進(jìn)行了一些簡(jiǎn)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(jìn)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(shí)候，在制作玻璃的時(shí)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(gè)現(xiàn)象時(shí)候的初級(jí)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?yàn)橘F金屬當(dāng)中可以實(shí)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(jí)的時(shí)候，要使用麥克斯韋的電磁方程來進(jìn)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(huì)因?yàn)榉瓷涔獗容^多而阻礙同屬性的其他電磁波進(jìn)入和穿過。在微波和遠(yuǎn)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(duì)于金屬的穿透能力也在不斷增強(qiáng)，也會(huì)帶來更大的損耗，在這個(gè)狀態(tài)下，我們可以使用德魯特模型進(jìn)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(chǎng)的作用下對(duì)電子自由振動(dòng)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(jìn)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(gè)相異的均勻媒質(zhì)分界面處，介電常數(shù)是正實(shí)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(huì)引起金屬中自由電子的震蕩從而引起共振。

2 混合長(zhǎng)程表面等離子體激元波導(dǎo)傳輸?shù)姆治?/p>

（一）混合長(zhǎng)程表面等離子體波的特點(diǎn)

最近引用較多的混合長(zhǎng)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(shí)候，兩個(gè)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(gè)分界面上的表面等離子體波開始進(jìn)行交疊，從而產(chǎn)生耦合的現(xiàn)象。我們對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)場(chǎng)限制能力較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)會(huì)有較大的傳輸損耗，而傳播長(zhǎng)度和場(chǎng)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(zhǎng)度交纏，傳播距離也會(huì)大大增大，所以這就是長(zhǎng)程表面等離子體波。

混合長(zhǎng)程表面等離子體波具有傳輸距離較長(zhǎng)、平面集成較為便利的特點(diǎn)，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(huì)趨向于0.從而可以進(jìn)行較長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)模場(chǎng)放大的可能性。

（二）混合長(zhǎng)程表面等離子體激元波導(dǎo)的簡(jiǎn)介

混合長(zhǎng)程表面等離子體激元波導(dǎo)是長(zhǎng)程表面等離子體波和高折射率下的對(duì)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(chǎng)限制能力，傳播長(zhǎng)度也有著提升，對(duì)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(jì)算，有著新型結(jié)構(gòu)的初步實(shí)行方案。新型的結(jié)構(gòu)注重傳播長(zhǎng)度、模式寬度的統(tǒng)一。

在具體的制造過程中，對(duì)稱混合長(zhǎng)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(chǎng)限制也是需要很多關(guān)注的，而且傳播的損耗會(huì)由于模場(chǎng)限制而有所降低，在這個(gè)過程中，橫向模場(chǎng)限制在沒有彎曲損耗計(jì)算的情況下可以基本確定最低彎曲半徑的實(shí)現(xiàn)，從而使模式寬度成為一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)。在耦合長(zhǎng)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(zhǎng)度要比非包層波導(dǎo)的耦合長(zhǎng)度長(zhǎng)，兩個(gè)相鄰波導(dǎo)的串?dāng)_減小也會(huì)導(dǎo)致耦合長(zhǎng)度的增加。

3 結(jié)語

新型的對(duì)稱混合長(zhǎng)程表面等離子體激元波導(dǎo)有著優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，要注重分析介質(zhì)加載的表面等離子體，和長(zhǎng)程表面等離子體的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，對(duì)對(duì)稱混合長(zhǎng)程表面等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的優(yōu)化。

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