基于表面等离子激元谐振环的滤波特性分析.pdf

通用元器件 doi：l0．3969~．issn．1563-4795。2011．09．004 基于表面等离子激元谐振环的 滤波特性分析 赵光跃，蔡祥 宝，刘耀辉 (南京邮电大学光电学院，江苏 南京 210003) 摘 要 ：表面等离子体激元是局限在金属表面的一种 由自由电子和光子相互作用形成的激发 态，其场分布在相邻 的金属和介质 中均成指数形式的衰减 ，在金属 中的分布深度 比入射光波 长要小2个数量级。这就为实现在亚波长尺度的金属结构中形成光场的局域化和导波提供 了可 能 ，并作为 突破衍射极限的限制以及将光场通路和器件的小型化重要考量因子。文 中重点研 究了基于表面等离子激元光学谐振环的滤波特性 。得 出了通过调节控制谐振环的直径可以吸 收不 同频率的波长，从 而实现滤波的 目的。 关键词 ：表面等离子体激元 ；谐振环 ；时域有限差分法 表面等离子激元 (Slll~aceplasmonpolaritons) 1 理论基础 简称SPPs 表面等离子体激元是局限在金属表面 的一种由 自由电子和光子相互作用形成的激发态 ． 表面等离子体激元是在金属和电介质界面间 它们本质上是光子和导体 中的 自由电子相互作用 产生的，金属 的 自由电子与入射光电磁场产生耦 而被表面俘获的光波 ，或者说是 自由电子和光波 合 ，引起集体振荡 ，激发出SPPs。其 电场 的波动 电磁场 由于共振频率相 同而形成 的一种集体振荡 方程如下 态 。 E=Eoexp (k~x_+kg-wt)] (1) SPPs沿着导体一电解质分界面处传播 ，传播 对与理想 的半无限大金属和 电介质界面图． 距离大约是几百纳米到几微米 ，其场分布在相邻 设定 ： 方 向为光波 的传播方 向，z0为真空，zO 的金属和介质 中均成指数形式的衰减。SPPs在金 是金属介质。其 中占是真空介电常数 ， 是金属介 属中的分布深度 比入射光波长要小2个数量级 ．这 电常数 ， 是真空 中的波矢量 ， 是金属中的波矢 就为实现在亚波长尺度 的金属结构 中形成光场的 量 。 局域化和导波提供 了可能 。对 由表面等离子波引 当z0H~ 起 的光学特性的研究 ，将为光学器件的小型化设 E1( ，t)=一了删：— (l，0，ik)exp (ikx—k1~z-ioJt) ( O ’ 计提供理论基础 ，具有十分现实的意义。本文将 (2) 对SPPs波导的色散特性进行简要 的推导 。并利用 H1 ，z，t)=(OA，0)exp(ikx-kl一J￡) (3) 数值分析工具 ，对建立的波导一谐振环模 型进行仿 当z0时 真研究 ，研究波导一谐振环相应的滤波特性。 E2( ，￡)：一 (一 ，0，ik)exp (ik+ 收稿 日期：2011-06—17 《《通用元器件 k~z-itot) (4) 光场强度也将呈现一定 的周期性变化 。假设光在