gydF4y2Ba我们回顾一些最近的研究活动在电浆设备基于metal-dielectric-metal (MDM)存根谐振器操纵光在纳米尺度上。我们首先介绍慢光亚波长电浆波导周期性加载输电线路电浆类似物的基础上和电磁感应透明。在这两种情况下,结构由一个MDM波导side-coupled MDM存根谐振器的周期阵列。然后我们介绍吸收开关组成的一个MDM电浆波导side-coupled MDM存根谐振器充满活性物质。
<年代p一个ncl一个年代年代="end-abs">
1。介绍
gydF4y2BaLight-guiding允许亚波长结构约束的光学模式是重要的实现紧凑的集成光子器件。的最小约束指导光学介质波导中模式设定的衍射极限的秩序<年代vg height="14.75" id="M1" style="vertical-align:-3.25793pt;width:26.7875px;" version="1.1" viewbox="0 0 26.7875 14.75" width="26.7875" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
0
/
,在那里<年代vg height="14.625" id="M2" style="vertical-align:-3.25793pt;width:14.675px;" version="1.1" viewbox="0 0 14.675 14.625" width="14.675" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
0
在自由空间波长,<年代vg height="7.1374998" id="M3" style="vertical-align:-0.10033pt;width:7.8874998px;" version="1.1" viewbox="0 0 7.8874998 7.1374998" width="7.8874998" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
折射率。
gydF4y2Ba相对于介质波导,电浆波导,基于表面等离子体激元的传播在金属电介质界面,显示潜在的指导和操作深亚波长尺度的光(<一个href="#B1">1一个>,2一个>]。几种不同的纳米电浆波导结构最近提出,如金属纳米线、金属纳米粒子阵列,v型槽,metal-dielectric-metal (MDM)波导(<一个href="#B3">3一个>- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -10一个>]。其中,特别感兴趣,因为他们支持MDM电浆波导模式与深亚波长尺度和高群速度在很宽的频率范围从直流可见(<一个href="#B11">11一个>]。因此,MDM波导之间提供一个接口可能会重要的传统光学和亚波长电子和光电设备。因为预测的有吸引力的MDM波导的性质,详细研究了模态结构(<一个href="#B6">6一个>,11一个>- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -14一个>),人们也开始探索这种结构实验(<一个href="#B15">15一个>- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -17一个>]。因此最近的研究工作集中在功能性电浆设备的发展,包括纳米电浆有源设备,集成电路。三维MDM电浆波导是由几个研究小组最近实验上实现和特点(<一个href="#B18">18一个>- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -21一个>]。MDM波导在这些实验中,通常使用电子束光刻技术(EBL)和定义图案使用聚焦离子束(FIB)或其他类似的过程。此外,nanoplasmonic波导的集成与活性材料,如光致变色分子或CdSe量子点,也由几个研究小组最近取得了实验(<一个href="#B22">22一个>,23一个>]。
gydF4y2BaWaveguide-cavity系统发展的特别有用的几个集成光子器件,如可调滤波器、光开关、下降通道过滤器、反射望远镜,阻抗匹配的元素。在MDM波导电浆设备,waveguide-cavity系统可以由side-coupling存根谐振器,组成一个有限长度的MDM波导,MDM波导(<一个href="#B9">9一个>]。在本文中,我们提供了一个审查我们的自己的一些最近的研究活动的电浆设备基于metal-dielectric-metal存根谐振器操纵光在纳米尺度上(<一个href="#B24">24一个>- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -26一个>]。本文的其余部分组织如下。节<一个href="#sec2">2一个>,我们首先回顾的方法用于模拟和分析设备。然后我们介绍慢光波导为增强件轻松事交互(部分<一个href="#sec3">3一个>)和吸收开关(部分<一个href="#sec4">4一个>基于metal-dielectric-metal存根谐振器。最后,我们的结论进行了总结<一个href="#sec5">5一个>。
2。模拟和分析方法2.1。全波有限差分方法米D米波导电浆设备的属性可以使用全波电磁仿真研究方法,如有限差分方法在时间和频率域。特别是,频域差分(FDFD)方法(<一个href="#B27">27一个>,28一个>)允许直接使用实验数据的频率相关介电常数的金属,如银<一个href="#B29">29日一个>),包括实部和虚部,没有近似。完美匹配层(PML)吸收边界条件用于模拟域的所有边界(<一个href="#B30">30.一个>]。
gydF4y2Ba由于快速场变异在金属与介电质间的接口,一个非常精细的网格分辨率的~ 1纳米是必需的金属与介电质间的接口充分解决当地的领域。另一方面,一个网格解决~<年代vg height="10.9375" id="M4" style="vertical-align:-0.20064pt;width:28.549999px;" version="1.1" viewbox="0 0 28.549999 10.9375" width="28.549999" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
/
2
0
是充分的仿真领域的其他地区。例如,在空气中所需的网格大小<年代vg height="14.9375" id="M5" style="vertical-align:-3.25793pt;width:61.412498px;" version="1.1" viewbox="0 0 61.412498 14.9375" width="61.412498" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
0
=
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。
5
5
μ我>米~ 77.5纳米,这几乎是两个数量级大于所需的网格大小在金属与介电质间的接口。一个非均匀正交网格<一个href="#B31">31日一个>]因此,常用以避免不必要的计算成本。我们发现,通过使用网格等我们的结果是准确的~ 0.05%。
米D米波导电浆设备的属性也可以使用有限元(FEM)频域方法研究。有限元法是一种比FDFD更强大的技术,特别是对于复杂几何形状的问题。然而,FDFD概念简单,编程更简单。有限元法的主要优势是,复杂的几何结构可以使用各种各样的离散元素不同的形状,而在FDFD通常使用一个矩形网格导致阶梯近似的粒子形状(<一个href="#B30">30.一个>,32一个>]。此外,在有限元领域内的元素是由形状近似函数,一般多项式,而在FDFD使用更简单的分段常数近似(<一个href="#B32">32一个>]。简言之,有限元法是比FDFD复杂但达到更好的准确性对于一个给定的计算成本(<一个href="#B32">32一个>]。
2.2。传输线理论gydF4y2Ba的属性系统,由深亚波长MDM电浆波导的电路,可以描述使用特性阻抗和传输线理论的概念<一个href="#B7">7一个>,33一个>,34一个>]。
gydF4y2Ba基本的特性阻抗TEM模式在一个完美的电导体(压电)平行板波导介质层厚度<年代vg height="10.75" id="M6" style="vertical-align:-0.15048pt;width:9.375px;" version="1.1" viewbox="0 0 9.375 10.75" width="9.375" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
独特定义为电压的比例<年代vg height="10.575" id="M7" style="vertical-align:-0.20064pt;width:12.625px;" version="1.1" viewbox="0 0 12.625 10.575" width="12.625" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
表面电流密度<年代vg height="10.325" id="M8" style="vertical-align:-0.0pt;width:9.0375004px;" version="1.1" viewbox="0 0 9.0375004 10.325" width="9.0375004" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
和=<一个href="#B34">34一个>]
在哪里<年代vg height="14.3375" id="M10" style="vertical-align:-3.21404pt;width:17.924999px;" version="1.1" viewbox="0 0 17.924999 14.3375" width="17.924999" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
,<年代vg height="16.237499" id="M11" style="vertical-align:-4.74141pt;width:19.8125px;" version="1.1" viewbox="0 0 19.8125 16.237499" width="19.8125" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
是电场和磁场的横向组件,分别,我们假定一个单位长度波导<年代vg height="9.8625002" id="M12" style="vertical-align:-2.29482pt;width:7.875px;" version="1.1" viewbox="0 0 7.875 9.8625002" width="7.875" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
方向。Non-TEM模式,如基本MDM模式,电压,电流,并不是唯一的定义。然而,银等金属满足条件<年代vg height="14.7125" id="M13" style="vertical-align:-3.22281pt;width:86.75px;" version="1.1" viewbox="0 0 86.75 14.7125" width="86.75" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
|
米
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一个
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|
≫
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我
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l
在光通信波长为1.55<我>μ米(<一个href="#B29">29日一个>]。因此,<年代vg height="14.7125" id="M14" style="vertical-align:-3.22281pt;width:115.8625px;" version="1.1" viewbox="0 0 115.8625 14.7125" width="115.8625" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
|
米
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一个
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我
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,所以在横向电场的积分可以近似<年代vg height="14.35" id="M15" style="vertical-align:-3.22281pt;width:48.275002px;" version="1.1" viewbox="0 0 48.275002 14.35" width="48.275002" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
d
我
e
l
,因此我们可以定义的基本的特性阻抗MDM模式<年代p一个ncl一个年代年代=”equation" id="EEq2">
在哪里<年代vg height="14.475" id="M17" style="vertical-align:-3.13504pt;width:148.52499px;" version="1.1" viewbox="0 0 148.52499 14.475" width="148.52499" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
米
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米
=
米
D
米
+
米
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米
是复杂的波向量的基本传播TM模式的MDM波导宽度<年代vg height="7.4499998" id="M18" style="vertical-align:-0.11285pt;width:12.2375px;" version="1.1" viewbox="0 0 12.2375 7.4499998" width="12.2375" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
和<年代vg height="7.1875" id="M19" style="vertical-align:-0.13794pt;width:7.6875px;" version="1.1" viewbox="0 0 7.6875 7.1875" width="7.6875" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
的介质介电常数介质区域的MDM波导。
2.3。散射矩阵理论gydF4y2Ba的特性的电路系统由深亚波长MDM电浆波导,只有最基本的TM模式传播,也可以用散射矩阵理论来描述(<一个href="#B35">35一个>]。如前所述,在传输线理论方法MDM波导连接的传输和反射系数计算使用特性阻抗的概念(<一个href="#EEq2">2一个>)。与传输线理论方法,在散射矩阵理论方法,传输和反射系数在MDM波导连接直接数值提取使用全波模拟方法如FDFD [<一个href="#B35">35一个>]。因此,利用散射矩阵理论方法的结果精度的提高和增加计算成本与提取所需的额外的全波模拟传输和反射系数在MDM波导连接。
2.4。数值例子gydF4y2Ba我们现在考虑一个特定的数值例子来比较不同方法对纳米电浆设备的分析和仿真基于metal-dielectric-metal存根谐振器。我们考虑一个电浆MDM波导side-coupled两MDM存根谐振器(图<一个href="//www.newsama.com/journals/ijo/2012/372048/fig1/" target="_blank">1一个>(一))。腔的共振频率可以通过调整来调谐腔长度<年代vg height="14.2375" id="M20" style="vertical-align:-3.13504pt;width:17.2875px;" version="1.1" viewbox="0 0 17.2875 14.2375" width="17.2875" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
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和<年代vg height="14.2375" id="M21" style="vertical-align:-3.13504pt;width:17.2875px;" version="1.1" viewbox="0 0 17.2875 14.2375" width="17.2875" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
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。这个系统是一个电浆模拟电磁感应透明(EIT) (<一个href="#B36">36一个>,37一个>]。