《双椭圆纳米金属棒构成的表面等离子体波导的传输特性分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《双椭圆纳米金属棒构成的表面等离子体波导的传输特性分析（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、双椭圆纳米金属棒构成的表面 等离子体波导的传输特性分析3郭亚楠 薛文瑞张文梅(山西大学物理电子工程学院,太原 030006)(2008年11月4日收到;2008年11月26日收到修改稿)设计了一种双椭圆纳米金属棒表面等离子体波导,采用频域有限差分法,对这种波导所支持的基模的能流密度分布、 有效折射率和传播长度随几何结构参数和工作波长的依赖关系进行了分析.结果表明,沿纵向的能流主要分布在两个椭圆金属棒所形成的中间区域,且越靠近金属棒的弧形边,沿纵向的能流越大.通过调节两个金属棒的中心距离以及它们的两个半轴的大小,可以调节模式的有效折射率和传播长度.在工作波长确定的条件下,相对于a=b的情形来说,
2、在ab 三种情况,分别如图1(a) ,(b)和(c)所示. 其中图1 (b)所示结构曾被Takahara等26提到 过,但Takahara或其他研究工作者并未对这种结构进行详细分析. 研究SPWs传输特性的主要数值方法可以分为第58卷 第6期2009年6月 100023290200958(06)4168207物 理 学 报 ACTA PHYSICA SINICAVol.58 ,No.6 ,June ,2009 2009 Chin. Phys. Soc.图1 双椭圆纳米金属棒表面等离子体波导横截面图 (a)ab时域方法和频域方法两大类.时域方法中常用的是 时域有限差分法(FDTD) ,频域方法中
3、常用的是频域 有限差分法(FDFD)和有限元法(FEM) .本文采用全 矢量的二维频域有限差分(FDFD)方法2729对其传 输特性进行研究.这种方法是一种简单有效的数值 计算方法,它从麦克斯韦方程出发,假设沿z方向的 传播常数是,每个场分量用 b情况下,场与金属表面的接触 面积较小. 因为有效折射率Re(neff)和传播距离Lprop是衡量表面等离子体波导传播特性的两个最重要的物理 量,所以下面我们考察如图2 ,3和4所示的模式的Re(neff)和Lprop随波导的几何尺寸的变化关系.这里,Re(neff) = Re() 2,Lprop= 1Im() .图5(a)和(b)分别给出了在= 80
4、010 nm以及b=a- 25 nm ,a,a+ 25 nm三种条件下,Re(neff)和Lprop随c的变化关系图.从这两张图中可以看出,按照半轴a的不同取值,曲线可分成三组.在每组曲 线中,Re(neff)随c的增大而减小,而Lprop随c的增大而增大.b参数对曲线的位置有微调作用.这种现 象,可以从如图2 ,3和4所示的场分布情况得到解释:由于场主要集中在两个金属棒所形成的中间区 域,相对于a=b的情形(图3)来说,在ab情况 下(图2) ,场与金属表面的接触面积较小,场与金属 银的相互作用较强,有效折射率就较大,传播距离也96146期郭亚楠等:双椭圆纳米金属棒构成的表面等离子体波导的传
5、输特性分析图2 在a=55 nm,b=30 nm,c=80 nm和=80010 nm的条件下,基模的(a)Hx场,(b)Hy场和(c)沿z轴的能流密度Sz在横截面上的分布图 虚线表示波导结构的轮廓图3 在a=55 nm,b=55 nm,c=80 nm和=80010 nm的条件下,基模的(a)Hx场,(b)Hy场和(c)沿z轴的能流密度Sz在横截面上的分布图 虚线表示波导结构的轮廓就较短;而在ab三种情况.数值计算表明:基模沿纵向的能流主 要分布在两个椭圆金属棒所形成的中间区域,且越 靠近两个金属棒的弧形边,沿纵向的能流越大.在工作波长确定的条件下,相对于a=b的情形来说,在ab情况下,场与金属
6、表面接触的面积较大,场与 金属银的相互作用较弱,有效折射率较小,传播距离 较长.在几何参数确定的条件下,相对于= 70510nm的情形来说,在较大时,场的分布范围较大,场与金属表面的接触面积较大,场与金属银的相互作 用较弱,有效折射率就较小,传播距离较长.因为通 过调节两个椭圆金属棒的中心距离以及它们的两个 半轴的大小,可以调节模式的有效折射率和传播长 度,所以这种椭圆金属棒表面等离子体波导可以用于光子器件集成领域和传感器领域.1Barnes WL , Dereux A , Ebbesen T W 2003Nature424 8242Ozbay E 2006Science311 1893Boz
7、hevolnyi S I , Volkov V S, Devaux E, Laluet J Y, Ebbesen T W2006Nature440 5084Maier S A 2006IEEE J.Sel.Topics Quantum Electron. 12 16715Economou E N 1969Phys.Rev. 182 5396Berini P 1999Opt.Lett. 24 10117JungJ , Sondergaard T, Bozhevolnyi S I 2007Phys.Rev. B 760354348Guo J , Adato R 2008Opt.Express16
8、12329Yang P F , Gu Y, G ong Q H 2008Chin.Phys. B 17 388010Tanaka K, Tanaka M 2003Appl.Phys.Lett. 82 115811Kusunoki F , Y otsuya T, Takahara J , K obayashi T 2005Appl.Phys.Lett. 86 21110112G ordon R , Brolo A G2005Opt.Express13 193313Pile D F P , Ogawa T, Gramotnev D K, Matsuzaki Y, Vernon KC,Yamaguc
9、hi K, Okamoto T, Haraguchi M, Fukui M 2005Appl.Phys.Lett. 87 26111414Liu L , Han Z, He S, 2005Opt.Express13 664515Pile D F P , Ogawa T, Gramotnev D K, Okamoto T, Haraguchi M,Fukui M, Matsuo S 2005Appl.Phys.Lett. 87 06110616Moreno E, Rodrigo S G, Bozhevolnyi S I , Moreno L M, Vidal FJ G2008Phys.Rev.L
10、ett. 100 02390117Boltasseva A , Volkov V S, Nielsen R B , Moreno E, Rodrigo S G,Bozhevolnyi S I 2008Opt.Express16 525218Xue W R , Guo Y N , Li P , Zhang W M 2008Opt.Express161071019Lu J Q , Maradudin A A 1990Phys.Rev. B 42 1115920Chen L , Shakya J , Lipson M 2006Opt.Lett. 31 213321Pile D F P , Gramo
11、tnev D K2004Opt.Lett.29 106922Lee I , JungJ , ParkJ , K im H, Lee B 2007Opt.Express15 1659623Arbel D , Orenstein M 2008Opt.Express16 311424Quinten M, Leitner A , KrennJ R , Aussenegg F R 1998Opt.Lett.23 133125Zhang H X, Gu Y, G ong Q H 2008Chin.Phys. B 17 256726Takahara J , Yamagishi S, Taki H, Mori
12、moto A , K obayashi T 1997Opt.Lett. 22 47527Zhu Z M,Brown T G2002Opt.Express10 85328Guo S P , Wu F ,Albin S, Tai H, Rogowski R S 2004Opt.Express12 334129Yu C P , Chang H C 2004Opt.Express12 616530http : www.caam. rice.edusoftwareARPACK31Wang H H, Xue W R , Zhang WM2008Acta Opt.Sin. 28 27 (inChinese)
13、 王红华、 薛文瑞、 张文梅2008光学学报28 2737146期郭亚楠等:双椭圆纳米金属棒构成的表面等离子体波导的传输特性分析32Guo L X, Wu Y R , Xue W R , Zhou GS 2007Acta Opt.Sin. 27935 (in Chinese) 郭丽霞、 武延荣、 薛文瑞、 周国生2007光学学报27 93533Wu Y R , Guo L X, Xue W R , Zhou GS 2007Acta Opt.Sin. 27593 (in Chinese) 武延荣、 郭丽霞、 薛文瑞、 周国生2007光学学报27 59334Johnson P B ,Christy
14、 R W 1972Phys.Rev. B 6 4370Propagation properties of a surface plasmonic waveguide with double elliptical metallic nanorods3Guo Ya2Nan Xue Wen2Rui Zhang Wen2Mei(College of Physics and Electronic Engineering,Shanxi University,Taiyuan 030006 ,China)(Received 4 November 2008; revised manuscript receive
15、d 26 November 2008)AbstractWe introduce a kind of surface plasmonic waveguide with double elliptical metallic nanorods. The dependence of thedistribution of longitudinal energyflux density , the effective index and the propagation lengthof the fundamental mode with longerpropagation length supported
16、 by this waveguide , on the geometrical parameters and the working wavelengths are analysed usingthe finite2difference frequency2domain (FDFD) method. Results show that the longitudinal energy flux density is distributedmainly in the middle area , which are formed by two elliptical metallic nanorods , and the longitudinal energy flux density isstronger closer to the arc sides
