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等離子體激元波導傳輸在對稱(chēng)混合長(cháng)程表面的特點(diǎn)分析
表面等離激元(SP)是在金屬表面區域的一種自由電子和光子相互作用的形成的電磁模。表面電荷振蕩與光波電磁場(chǎng)之間的相互作用使得表面等離激元具有很多獨特的有意義的性質(zhì)。
摘要：隨著(zhù)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)對于集成系統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)應用上有著(zhù)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(lái)的限制，增強系統的集成密度。本文從等離子體激元波導傳輸在對稱(chēng)混合長(cháng)程表面的傳輸出發(fā)，探討在這個(gè)傳輸介質(zhì)中出現的傳輸特點(diǎn)，從而對其進(jìn)行優(yōu)化。
關(guān)鍵詞：等離子體激元波導;激光傳輸介質(zhì);介質(zhì)分析;對稱(chēng)混合長(cháng)程表面
計算機和微電子技術(shù)的發(fā)展對數據傳輸的速度也有著(zhù)很大的要求，隨著(zhù)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(zhù)通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )信號的處理要求不斷提高，新一代的光電系統在生活中的應用范圍也越來(lái)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。
一、表面等離子體的理論基礎
在很久以前，人們就已經(jīng)對金屬表面的等離子共振有著(zhù)一定的了解和接觸，在這一現象尚未上升到理論高度的時(shí)候，人們在無(wú)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構的選擇性散射和透射的效應，把不同種類(lèi)的金屬顆粒摻雜進(jìn)彩色的玻璃當中，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(lèi)尚不能理論化這個(gè)現象時(shí)候的初級應用。
一般情況下，貴金屬才是表面離子體產(chǎn)生的重要介質(zhì)，因為貴金屬當中可以實(shí)現電子躍遷，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(shí)候，要使用麥克斯韋的電磁方程來(lái)進(jìn)行理論上的建模與分析。
在日常的生活當中，金屬頻率的可見(jiàn)光波段會(huì )因為反射光比較多而阻礙同屬性的其他電磁波進(jìn)入和穿過(guò)。在微波和遠紅外的波段中，波導的包層可以使用某些金屬作為代替，而且隨著(zhù)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(huì )帶來(lái)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傳輸是外界在電磁場(chǎng)的作用下對電子自由振動(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(zhù)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(zhù)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，介電常數是正實(shí)數的媒質(zhì)就是介質(zhì)，而介電常數呈現復數狀態(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。
二、混合長(cháng)程表面等離子體激元波導傳輸的分析
(1)混合長(cháng)程表面等離子體波的特點(diǎn)
最近引用較多的混合長(cháng)程表面結構就是三層結構，分別是IMI結構與MIM結構，這兩種結構當中間層比較厚的時(shí)候，兩個(gè)分界面的表面等離子體波互不干擾，而隨著(zhù)中間層厚度的減少，兩個(gè)分界面上的表面等離子體波開(kāi)始進(jìn)行交疊，從而產(chǎn)生耦合的現象。我們對這種現象進(jìn)行分析，發(fā)現場(chǎng)限制能力較強的結構會(huì )有較大的傳輸損耗，而傳播長(cháng)度和場(chǎng)限制能力是互相制約的，在IMI結構中，電磁能量向兩邊集中，所以傳播長(cháng)度交纏，傳播距離也會(huì )大大增大，所以這就是長(cháng)程表面等離子體波。
混合長(cháng)程表面等離子體波具有傳輸距離較長(cháng)、平面集成較為便利的特點(diǎn)，所以隨著(zhù)金屬厚度的減少，表面等離子體的傳輸常數的虛數部分會(huì )趨向于0.從而可以進(jìn)行較長(cháng)的傳輸。這種易于被光纖介質(zhì)波導激發(fā)的方式以及得到了廣泛的應用，而且有著(zhù)可以實(shí)現模場(chǎng)放大的可能性。
(2)混合長(cháng)程表面等離子體激元波導的簡(jiǎn)介
混合長(cháng)程表面等離子體激元波導是長(cháng)程表面等離子體波和高折射率下的對比效應的混合狀態(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(cháng)度也有著(zhù)提升，對三維的集成光學(xué)電路的發(fā)展鋪平了道路，通過(guò)詳盡的計算，有著(zhù)新型結構的初步實(shí)行方案。新型的結構注重傳播長(cháng)度、模式寬度的統一。
在具體的制造過(guò)程中，對稱(chēng)混合長(cháng)程表面的等離子體波到是所有層和介質(zhì)材料以及過(guò)程中化學(xué)蒸汽的疊加，所以有著(zhù)一定的制造誤差，要注重理想尺寸的精確程度。而側向模場(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(guò)程中，橫向模場(chǎng)限制在沒(méi)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(shí)現，從而使模式寬度成為一個(gè)關(guān)鍵的參數。在耦合長(cháng)度方面，水平放置的平行波導要大于垂直放置狀態(tài)，而包層波導的耦合長(cháng)度要比非包層波導的耦合長(cháng)度長(cháng)，兩個(gè)相鄰波導的串擾減小也會(huì )導致耦合長(cháng)度的增加。
三、結語(yǔ)
新型的對稱(chēng)混合長(cháng)程表面等離子體激元波導有著(zhù)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(cháng)程表面等離子體的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，對對稱(chēng)混合長(cháng)程表面等離子體波導結構進(jìn)行一定的優(yōu)化。
參考文獻：
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[3]張義磊. 基于表面等離激元的納米金屬/介質(zhì)混合波導性質(zhì)的研究[D].北京郵電大學(xué)，2015.
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