毕业论文-基于多层结构的光学单向隔离器的设计与仿真.doc

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基于多层结构的光学单向隔离器的设计与仿真

摘要

随着表面等离子体亚波长光学的迅速发展，具有不对称光学传输的亚波长光学器件已经成为一个新的研究热点。本文利用多层结构的等效介质理论及传输矩阵理论进行研究了Ag/SiO2多层结构的光学传递函数，设计了一种具有窄带滤波特性的高通滤波多层结构。通过结构端面光栅周期的优化设计，使得仅单一入射方向的入射波产生的衍射波处于导带内而可以通过。在此基础上，通过FDTD仿真计算验证了上述隔离器功能实现的可行性。

关键词：光栅衍射，单向传输，多层结构，超衍射极限

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Abstract

Withthedevelopmentofsurfaceplasmonsubwavelengthoptics,subwavelengthnon-reciprocalelectromagnetictransmissiondeviceshasbecomeanewhotspotforapplicationsinallopticalcircuits.Inthispaper,wehavesystematicallyinvestigatedtheopticalfunctionofmultilayeredstructurethroughtheEffectiveMediumTheory(EMT)incombinationwithtransfermatrixmethod,andobtaineddeviceparametersonlyallowingthetransmissionwithspatialfrequencywithinanarrowband.Furthermore,basedontheoptimizationofgratingperiodontermination,werealizedonlysingleorderofdiffractedwaveincidentformonesideiswithinthepassbandasaresultcanpassthrough,whiletransmissionwithincidencefromtheothersidewillbeforbidden.TheunidirectionaltransmissionforthisproposedisolatorhasbeenverifiedbyusingFDTDsimulation.

Keyword:Gratingdiffraction,multilayerstructure,unidirectionaltransmission,

sub-diffraction-limit

目录

中文摘要1

英文摘要2

第一章绪论3

1.1表面等离子体的光学简介3

1.2FDTD算法的简要介绍5

第二章多层结构的光学传递函数分析8

2.1单层膜结构传递函数的推导：8

2.2多层薄膜系统传递函数的推导：13

2.3等效介质理论14

第三章单向隔离器的设计与数值仿真15

3.1多层薄膜的光学传递函数设计与优化15

3.1.1银膜厚度对光学传递函数的影响15

3.1.2二氧化硅膜厚度对光学传递函数的影响17

3.1.3小结19

3.2光栅-多层薄膜系统光隔离器的数值仿真：20

3.2.1光栅-多层薄膜系统的结构参数：20

3.2.2光栅-多层薄膜系统的单向传输特性仿真：21

第四章论文小结24

致谢25

参考文献26

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第一章.绪论

1.1表面等离子体光学简介：

电磁场[1]入射到金属的表面，就会导致金属的表面上的自由电子的集体振荡，感生出一种可以沿着金属的表面传播，而且会在沿着垂直于金属的表面方向上呈现指数衰减的表面电磁波，这种表面电磁波就会被称为表面等离子体[2-6](surfaceplasmonpolaritons，SPs)。1902年，R.W.Wood[7]在物理实验中就看到金属光栅的衍射分布谱中出现了新的衍射峰（谷），就是Wood共振；U.J.Fano等人在1941年指出，在金属薄膜和空气界面上激发了表面电磁波，从而会产生Wood共振现象；1959年,C.J.Powell和J.B.Swan做了一个关于对穿过镁薄膜的高速电子的能量损失谱的实验，从而证明了了表面等