新型SPP波导的设计与计算机分析

李 燕，陈建军2

（1.新疆兵团广播电视大学，乌鲁木齐 830001； 2.新疆医科大学，乌鲁木齐 830001）

新型SPP波导的设计与计算机分析

李 燕1，陈建军2

（1.新疆兵团广播电视大学，乌鲁木齐 830001； 2.新疆医科大学，乌鲁木齐 830001）

目前SPP（表面等离子激元）技术应用面临的主要困难依然是SPP传播中的高损耗问题，SPP波导亚波长约束与传播距离的矛盾和SPP传播中的强烈衰减是当前表面等离子研究的关键问题。文章采用非对称介质波导结构设计了一种加载玻璃的SPP传播优化器件，应用的SPP激发模型与Kretschmann结构类似，实现了无需牺牲波导亚波长尺寸来提高SPP传播距离。FDTD（有限差分时域）方法分析结果表明：改进的波导结构能够显著增加SPP传播距离，提高电场强度，SPP传播距离提高了近20倍。对比不同厚度的薄膜层可以看出，薄膜最薄时，局域化效果最好；改进的结构显著增加了SPP耦合效果。这种加载玻璃的SPP传播优化器件为SPP在新型光子器件、宽带通信系统、微小光子回路和光电子集成等方面的应用提供了关键器件。

亚波长光学；介质-金属-介质波导；加载玻璃；Kretschmann结构

0 引 言

光子作为信息的载体，具有许多电子无法比拟的优势。光子集成线路具有速率高、功耗低的优点，采用光子学技术研究光信息处理芯片成为必然的选择［1-4］。但是，相对于已经成熟的电子技术，光子学中依然找不到像三极管那样的通用集成单元，在微纳光源、光互连单元及光/电转换技术等方面还存在大量值得研究的问题，光子信号处理芯片的研究面临许多困难［5-6］。尽管研究人员实现了将光场约束到几十纳米的量级，但设计的波导器件的损耗依然很大［7-8］。目前SPP（表面等离子激元）技术应用中面临的主要困难在于由于欧姆效应导致的强烈衰减，500 nm的可见光在理想单一界面中的传输距离（振荡强度减少到1/e时的长度）约为1.8μm［9］，这显然无法实现光子器件的应用，因此在SPP波导结构中采用增益介质以补偿衰减是一个自然的想法，然而现有的针对此思想的研究多系全程补偿，导致信道中的信号和噪声同时被放大，增益介质的自发辐射又会注入新的噪声，不适用于数字信号系统，而为实现长距离SPP传播牺牲波导尺寸及强局域化的问题却愈发明显，波导亚波长约束的局域化与传播距离成了一个矛盾的科学难点。

研究发现，IMI（介质-金属-介质）波导具有较低的SPP传播损耗和较大的SPP传播距离，但其最大的问题是波导尺寸过大，通常比入射波长大几个数量级。本文设计了一种加载玻璃非对称IMI波导，在进行理论分析的基础上进行了仿真验证，发现该结构能够较好地克服增益介质的自发辐射问题，无需牺牲波导亚波长约束即可显著提高SPP传播距离。本文的设计可为SPP在新型光子器件、宽带通信系统、微小光子回路和光电子集成等方面的应用提供关键器件。

1 加载玻璃非对称IMI波导结构设计与理论分析

1.1 结构设计

图1所示为本文设计的非对称IMI波导结构，其中1层和4层为低折射率介质，2层为金属膜，3层为玻璃透镜结构；εi为相应层的介电常数。入射光倾斜入射，利用衍射光激发产生SPP，传播过程中棱镜（高折射材料）和低折射率介质由于全反射现象补偿损耗，从而实现增大SPP的传播距离。

图1 加载玻璃的SiO2-金膜-SiO2结构示意图

1.2 SPP的激发

设计结构与Kretschmann结构激发SPP模型基本类似，只是在棱镜的另一面又连接了一层介质层。设计的ε3用来反射辐射损耗使其补偿SPP传播中的金属损耗，即启动了一个反馈效果。这样就可以利用反馈的辐射光与表面夹角相同的角度入射（即图2中的θ），其传播过程如图2所示。

图2 加载玻璃的SiO2-金膜-SiO2结构传播示意图

依据菲涅尔定律，在2层/3层界面上的反射光也是有相同角度的入射光。这就确保了被反射回金属的光反馈，形成谐振腔。为了反射所有的辐射光，折射光不能进入介质3，即在2层/3层界面上需要以相同角度发生全反射。这里设图2中产生SPP的入射角度与表面夹角为θSPP（图2中的θ），显然这个角度也是2层/3层界面上的反射角。因此，必须使为反馈的辐射角），这样就能写出SPP传播的谐振。又由于这就使得与Kretschmann 结构激发SPP的条件基本类似，这样当时，金属介电常数的实部满足

此时金属介电常数的范围与传统情况相同：

这里基于的条件依然是：ε1=ε3=1；玻璃：ε2=2.25；金属银：εm=-4.61+0.03i；入射波长λ0=532 nm。

假设结构激发的SPP传播时间、传播距离足够长，达到一个“稳态”对应于入射频率ω0。当在1层和金属界面附近激发了SPP时，由于金属损耗问题，电磁场Ecy会随exp（i kxx）呈指数衰减变化（这由传导型SPP特性决定），这里传播常数kx=β+iα，虚部α对应于金属的能量吸收，随着横向传播距离x的增大，电场强度呈指数衰减，即此时存在

式中，传播距离Lx=1/2α，φ为相位因子。对于距x轴一定距离的金属薄膜来说，此时可以通过平均时间电场强度〈|E|2〉t中x值的变化得到确定SPP传播的Lx的值式中，τ为弛豫时间，T=2π/ω0。

2 SPP传播长度结果分析

研究表明，在典型的单层结构中，当Ag薄膜最薄时，SPP传播距离最短，局域化效果最好。图3给出了不同玻璃层厚度d时的SPP传播距离。从图中可以看出，d=30 nm时，设计结构的SPP传播长度为32μm，而典型Ag介质结构在这一条件下传播距离仅为1.8μm［1，3，5］，前者相比后者提高了近20倍。显然设计结构实现了对SPP传播损耗的改进。

图3 传播距离曲线图

3 FDTD（有限差分时域）方法对比分析

在不同加载玻璃厚度下对设计结构进行平均电场强度的FDTD运算。设入射电场强度为采用典型的金属-介质结构与设计结构做对比。仿真结果表明：由于反射和金属辐射损耗，电磁场强度的强局域区域不断降低；设计结构和对比结构在SPP传播到第一个峰值附近时的场强均最大，设计结构的场强达到〈E2〉t= 10 V2/m2，且在强局域化区域场强均≥3 V2/m2，而典型的金属-介质结构的场强＜3 V2/m2。进一步分析不同玻璃厚度条件下强局域化特点得到：随着玻璃厚度不断增加，共振传播距离还会更远；厚度小到一定程度时，仅有一个强局域化区域。上述结果表明，本文设计的结构阻止了传播区域中的部分辐射损耗，增大了SPP传播距离，提高了电场强度。

总的来说，本文设计的结构能够很好地耦合外界光，增大光强，增加传播距离，为以等离子体为基础的集成原件开辟了新的途径。

4 结束语

本文通过设计加载玻璃的非对称IMI结构改进了SPP的传播距离，分析仿真结果得知，改进后的结构SPP传播距离可以提高近20倍，且发现传播增强不会发生显著的增益补偿导致的“意外”损耗。这一结构为非对称波导结构深入研究提供了更加便捷的光子器件，对于光子回路的发展具有参考价值。

［1］ Pincemin F，Maradudin A A，Boardman A D，et al. Scattering of a surface plasmon polariton by a surface defect［J］.Physical Review B Condensed Matter，1994，50（20）：15261-15275.

［2］ Ushioda S，Sasaki Y.Raman scattering mediated by surface-plasmon polariton resonance［J］.Physical Review B，1983，27（2）：1401-1404.

［3］ Tan W，Preist T W，Sambles J R，et al.Flat surfaceplasmon-polariton bands and resonant optical absorption on short-pitch metal gratings［J］.Physical Review B，1999，43（19）：12661-12666.

［4］ Berthold K，Hopfel R A，Gornik E.Surface plasmon polariton enhanced photoconductivity of tunnel junctions in the visible［J］.Applied Physics Letters，1985，46（7）：626-628.

［5］ Vinnakota，Genov.Terahertz Optoelectronics with Surface Plasmon Polariton Diode［J］.Scientific Reports，2014，6184（4）：649-652.

［6］ Wang Y Y，Zhang T.Spontaneous emission noise in long-range surface plasmon polariton waveguide based optical gyroscope［J］.Scientific Reports，2014，4（9）：42-45.

［7］ Zhang X，Sorger V J，Oulton R F M，et al.Plasmon lasers at deep subwavelength scale：US，8509276［P］. 2013-08-13.

［8］ Zhu Jun，Xu Wenju，Fu Deli，et al.Asymmetric SPP waveguide without sacrificing the size of subwavelength waveguide［J］.Optik-International Journal for Light and Electron，2016，127（12）：5092-5096.

［9］ Liu L，Han Z，He S.Novel surface plasmon waveguide for high integrations［J］.Opt Express，2005，13（17）：6645-6650.

New Waveguide Structure to Achieve Excite Surface Plasmons

LI Yan1，CHEN Jian-jun2
（1.Bingtuan Radio&TV University，Urumchi 830001，China； 2.Xinjiang Medical University，Urumchi 830001，China）

The application of Surface Plasmon Polariton（SPP）suffers from high loss during propagation and contradiction between subwavelength constraints and propagation distance.The paper proposes an asymmetric dielectric waveguide structure and designsa loaded glass SPP propagate optimization device.The excited model of SPP is similar to Kretschmann structure.It can improve the propagation distance without sacrificing the size of subwavelength waveguide.The Finite Difference Time Domain（FDTD）analysis results show that the improved waveguide structure can significantly increase the SPP propagation distance with higher electric field strength.The SPP propagation distance is increased by more than 20 times.We also compare the performances with different thickness of film layers.The result indicates that the better localization performance can be achieved with thinner film.The proposed structure also significantly increases the SPP coupling effect.The proposed structure has the potential for the application of SPP in the area of new photonic devices，broadband communications systems，small photon loops，and other aspects of integrated optoelectronic applications.

subwavelength optics；Insulator-Metal-Insulator（IMI）waveguides；loads of glass；Kretschmann structure

TN252

A

1005-8788（2016）03-0056-02

10.13756/j.gtxyj.2016.03.018

2016-03-04

国家自然科学基金资助项目（10674041）

李燕（1978-），女，新疆乌鲁木齐人。讲师，硕士，主要研究方向为计算机仿真及数据库应用。

陈建军，副教授。E-mail：cjj_light@163.com