表面等离子体激元波导非连续性结构等效电路模型研究

基于表面等离子体激元(SPPs)的各种纳米光子器件是实现未来全光集成回路的基础。随着所设计的SPPs波导光子器件复杂度的提高，对它们的理论分析和仿真研究也越来越困难，采用等效电路与传输线描述，有利于表面等离子体电路的快速仿真与优化设计，本课题将应用全波电磁场分析，研究光信号在表面等离子体激元波导非连续性结构中的传播规律；应用传输线理论与集总参数等效电路网络表征SPPs波导非连续性结构中的传输、散射、高次模寄生效应；建立一致性SPPs波导的分布参数等效电路模型和特征参数的经验设计公式，建立非连续性结构等效电路的空间映射神经网络模型；最后应用得到的等效电路模型完成SPPs波导器件的设计和仿真，验证模型的精确性与正确性。

在本课题的研究中，我课题组以表面等离子体激元现象的时域计算电磁学方法仿真与建模为主题，深化了对表面等离子体材料仿真的时域有限差分方法的研究，对仿真超微结构的无条件稳定LOD-FDTD方法有了深入的理解并加以改进，建立了针对色散媒质仿真的复共轭极点/留数材料模型，建立了针对单层石墨烯的极限薄层介质的子单元模型，建立了针对纳米线结构的FDTD子单元模型；利用所建立的FDTD仿真引擎拓展了对碳基低维纳米材料如碳纳米管、石墨烯中表面等离子体波传播现象的仿真与建模的研究内容；同时应用时域有限差分方法完成了纳米管和石墨烯作为未来高速集成电路中的互连线的性能分析，建立了纳米管互连线串扰分析的电路模型；此外还依据已有的实验条件探索并设计了一些基于超材料的微波器件，为未来研究基于表面等离子体机制的光频超材料奠定了基础。