等离子体槽波导结是什么？它的应用有哪些？

小琳琳

文|娱栀
编辑|娱栀
在过去的十年中，由于等离激元引导结构能够以片上光学功能集成所需的亚波长横向约束传输光能，引起了人们对等离激元引导结构的极大且日益增长的兴趣。

在种类繁多的此类结构中，考虑到易于制造和调谐性能的灵活性，金属-电介质-金属（MDM）槽波导可能是纳米级器件应用中最有利的。
MDM槽波导（可用作等离子体芯片上的互连）的节能运行的两个主要障碍是沿波导的强能量耗散及其连接处的散射，后一种挑战也出现在光通过普通介质波导耦合到芯片中，典型横向尺寸在微米范围内。

耦合到MDM波导的单短截线谐振器的工作原理，一种是具有相位差的直接传播SPP波（相对于相应的点一个一个′）的Φt。
另一种是SPP波，它从短截线反射回来，相变2Φd+Φr那里Φd是存根长度上的相位侵入，并且Φr是短截线端的反射引起的相移。

通过更改存根长度d，可以改变第二波的相位，根据两个波之间的相对相移，会发生破坏性或建设性干涉，导致波导透射率发生变化，因此，可以通过为短截线选择合适的长度来设计通过波导的光传输。

已经表明，耦合到单个短截线的MDM波导的透射率可以用单模MDM波导和微波传输线之间的类比来描述，用这个类比，厚度的波导h被特性阻抗的传输线取代。
波导的短截线部分可以用特性阻抗的有限长度传输线表示ZS，可以通过替换获得w为h，需要强调的是，短截线和波导的传输线表示是在准静态近似下发展的。
其保持的时间为了说明Φr阻抗ZL应作为负载连接到表示存根的线，假设金属是无损的并且镶嵌Φr=0，波导短截线被视为开路传输线（即ZL=∞)。
ZL通过将电路理论中的反射系数等同于复值幅度反射系数，可以更准确地确定(Γ)的SPP在存根端，作为一个很好的近似，Γ可以使用菲涅尔理论计算，通过将SPP反射可视化为平面波在金属-介电边界处的反向反射。因此，得出以下关系：
实际上，对于正常事件，在计算时可以自由选择反射电场的方向Γ.在之前的一项研究中，后一个符号选择是从上面推断出来的，ZL≈ε2/ε1−−−−√ZS那里ε2是金属的相对介电常数，因此，在近似完美电导体（PEC）时|ε2|→∞,ZL趋于无穷大，短截线等效于开路传输线。

然而，在相同的近似下，经典传输线理论认为短截线端应由短路线表示，对应于ZL=0，存根表示的这种差异是由于传输线理论中的符号选择与选择不同而引起的。
在输电线路的情况下，入射和反射电压极性应保持一致，这种情况具有物理意义，因为传输线中特定点的电压（无论反射还是入射）是相对于一个指定的参考点测量的。
由于线路中的电压类似于横向电场，因此SPP模式的电场方向在反射时必须守恒，并且应选择正号，结果获得了公式：
有趣的是，尽管提出的模型存在显著差异，但它仍然允许人们合理地估计传输最大值/最小值的位置，红色虚线和绿色实线分别表示现有模型和修订后模型的结果，蓝色开圈显示FDTD仿真结果。

1.单短截耦合器
首先考虑短截线在通过一对具有不相等横截面的对齐槽波导优化透射率方面的适用性，单截线阻抗匹配技术通常用于微波通信系统的设计阶段，以最大限度地减少由于波导不连续性而产生的不必要反射。

2.通过带短截线的结点的透射率
考虑两个厚度的MDM波导h1和h2以级联方式连接，假设左波导耦合到宽度的垂直短截线w和长度d放置在远处Δ从路口，波导的介电和金属成分的特点是介电常数ε1和ε2.还假设h1,h2和w远低于SPP波长，因此准静态近似是有效的。

带有与输入波导耦合的短截线的MDM波导结的示意图，（b）等效电路表示;Z苏·是短截线的有效阻抗，
3.存根的最优参
通改变短截线长度、宽度及其位置来设计波导透射率,在大多数情况下，d和Δ是调谐的主要选择，以找到给定频率下的最大透射率，所识别的传输最大值的峰值受以下变化的轻微影响w.的价值观d和Δ对应于峰值透射率具有实际意义，找到用于计算此类值的近似分析公式是有益的。

4.数值示例和讨论
如前所述在单短截线耦合技术中，需要调整的两个关键参数是短截线长度(d)以及从交汇点到短截线位置的距离，可以显示这两个参数如何影响通过MDM波导结的脉冲能量传输。

另一种简单而有效的波导耦合机制，用于增强通过MDM波导结的透射率，该技术利用连接在不等截面的两个波导之间的中间槽部分。

通过带槽耦合器的结点的透射率，图5（a）显示了由两个厚度为MDM波导组成的波导结构h1和h2通过厚度的中间部分耦合hc和长度lc，在准静态近似下（只要hj≪λ,j=1，2，c）。

图5（a）
由两个不相等的MDM波导组成的波导配置示意图（h1和h2）通过厚度的中间槽段连接hc和长度lc。
为了找到波导厚度hc，需要考虑MDM波导的色散特性，采用MDM波导的特性阻抗模型，得到波导和耦合器参数之间的以下关系，以获得最大透射率：
图6（a）中给出的密度图显示了脉冲透射率作为以下函数的函数hc和lc.人们可以观察到准周期性的变化Tp关于lc.随着耦合器长度的增加，以轻微衰减重复的区域中的虚线勾勒出来。
实际上，与每个连续区域相关的衰减可归因于较长的耦合器部分导致SPP阻尼增加，从（12）中可以发现，周期大约由下式给出λc/2.因为λc单调增加随增加hc[16]，[33]，周期也是如此，如图6（a）所示。

图6（a）使用（蓝色曲线）和数值模拟（蓝色开圆）计算的透射光谱，以获得最佳耦合器参数，绿色表示反射光谱
为了验证透射率的分析结果，并突出中间槽部分对耦合效率的提高，先计算了光谱，包括分析和数值，选择耦合器的长度和厚度以获得确定的最大透射率M，从（蓝色曲线）得到的分析结果与FDTD数值数据（蓝色开圈）吻合较好。
作为参考，分别使用酒色和红色曲线显示了厚度为125nm的均匀波导和波导结的透射光谱,结果表明，在两个波导之间加入中间槽段可将透射率提高25%，绿色虚线显示，在所需波长区域，反射率接近零，表明中间谐振腔完美耦合了两个波导，以实现最佳的电力传输。

单短截线和中间槽耦合器技术都可用于等离子体波导结的高效耦合，使用这些技术，对于厚度跃迁比为25：5的波导结，通过波导配置的透射率可以提高约1%。
尽管由于SPP阻尼，峰值透射率没有达到100%，但它们是可以实现的绝对最大值，因为包含短截线/槽部分完全消除了反射的能量流，因此不可能通过在波导配置中添加更多的短截线或多节槽来进一步提高透射率。

与中间槽耦合器不同，单短截线耦合机制允许在连接处保留原始结构，当光互连的长度在波导轴方向上受到限制时，单短截线技术将是增强通过结的光透射率的合适选择。
由于等离子体组件制造技术的最新进展，人们分析的设备易于制造，使用基于光刻的技术（例如聚焦离子束铣削和电子束光刻）进行了实验，实现了核心厚度为几十纳米的等离子体槽波导。

使用相同的技术，通过将中间槽和短截谐振器耦合到间隙等离子体波导，对一系列不同的波长选择器件进行了原型设计，与制造过程相关的困难之一在于实现波导的尖角和短波导结的尖锐边缘，等离子体器件中角和边的有限曲率对所考虑器件的光谱特性和性能几乎没有影响。
本次所提出的获得相关波导配置的光脉冲透射率的分析方法比基于标准FDTD模拟的数值程序要快得多，给出的密度图需要非常高的计算时间，如果需要通过成熟的FDTD方法获取它。

为找到短截线或中间槽段的初始设计参数提供了一条更简单的路径，以实现最大功率传输，可以通过更复杂和耗时的数值分析进一步微调这些参数，以获得最佳结果。

在本文中，从理论上研究了两种通过两个MDM等离子体波导之间的直线结最大化功率传输的有效方法，在第一种技术中，采用了与输入波导耦合的适当位置的垂直短截线，在第二种技术中，在波导之间使用中间槽部分来设计波导透射率。
借用传输线理论的概念，推导出了这两种波导配置方案中透射率的近似解析表达式，进一步分析了这些公式，以提出简化的程序，以找到在给定波长下提供峰值透射率的短截线和中间部分的最佳参数。

使用所提出的技术演示了125至25nm间隙银-空气-银波导结的透射率优化，发现透射率提高了≈25%，可以根据设计限制和特点自由选择其中一种技术。
所提出的分析方法对于减少计算昂贵的数值模拟的必要性特别有用，并允许为等离子体波导设计高效的耦合器。

SushmitaPaul，MinaRay，“使用双短截线耦合等离子体波导提高检测效率的基于非对称共振的纳米传感器”，2018年第三届国际微波与光子会议（ICMAP），第1-2页，2018。
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来源：http://www.yidianzixun.com/article/0ov3vmzr
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