基于带隙主动可调的MIM波导特性的理论研究

The tunable characteristics of optical bandgap in metal-insulator-metal waveguides will be theoretical studied with surface plasmon polaritons interference method from two matal-nsulator surfaces. The spatial distribution and intensity distribution of interference fringes in metal-insulator-metal waveguides will be detailed analysised for incident control light in different incident angles, frequencies and intensities conditions; the effect of interference fringes to the refractive index modulation in nonlinear material and the bandgap characteristics、transmission characteristics of the waveguide result from the change of refractive index modulation will also be discussed. Through the study of the association of interference fringes with control light in different incident conditions, actively tunable MIM waveguide bandgap is expected and solved.

本项目将利用控制光在金属－介质－金属波导界面形成的表面等离子体波干涉的方法，理论上解决波导带隙中心位置不易调谐的问题。将详细研究在不同入射角度、不同频率、不同强度条件下控制光在MIM波导中形成的干涉条纹的空间分布、强度分布等特性；并进一步研究干涉条纹对非线性介质层折射率的空间调制特性及由此形成的带隙特性、波导传输特性。本项研究中利用不同条件下控制光与干涉条纹的关联，可望实现对带隙的主动调控，具有重要的科学意义。

金属-介质-金属波导是一种重要的小型全光器件，其尺度突破了光学衍射极限的限制，具有非线性调谐、光学响应快、频域选择性宽的优点，其设计构造和光学性质已成为研究的热点。本项目通过在金属表面产生表面等离子体波干涉的方法，分析波导中非线性介质层折射率的变化情况，找出波导带隙变化的规律。首先从麦克斯韦方程组出发，利用电磁场边界条件，推导出金属-非线性介质界面表面等离子体波的解析表达式，分析了激发光的入射角度、波长、强度等对非线性材料层折射率的影响，得到介质层折射率变化的深度随入射波长和入射强度增大而增大，而激发角度还与入射强度有关。MIM波导折射率形成的空间条纹类似于正弦函数，周期长度随着入射功率、入射波长的增大均减小，同时也随波导介质层厚度的增大而减小，形成的禁带宽度和深度随着激发波长的减小而增大，禁带中心位置随着激发波长的增大而向长波长方向移动。同时，禁带宽度和深度随着激发光功率的增大而单调增大，禁带中心位置也随激发功率的增大而蓝移，禁带宽度在达到折射率变化率达到0.1时，可产生100nm左右的禁带。