【摘 要】
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高效传输电磁能量和光子器件的微型化是光子集成电路(photonic integrated circuits,PICs)发展的两个重要问题。传统的介质波导和光子晶体可以用来导光,但是它们的尺寸受衍射效应的限制。亚波长光约束已经在高折射率介质纳米颗粒(NP)波导中得到了体现,这主要与纳米硅(Si)光子学的研究热点相关,但由于能量在其周围区域传播的比例相对较大,这类波导的致密性可能受到限制。在亚波长范围
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高效传输电磁能量和光子器件的微型化是光子集成电路(photonic integrated circuits,PICs)发展的两个重要问题。传统的介质波导和光子晶体可以用来导光,但是它们的尺寸受衍射效应的限制。亚波长光约束已经在高折射率介质纳米颗粒(NP)波导中得到了体现,这主要与纳米硅(Si)光子学的研究热点相关,但由于能量在其周围区域传播的比例相对较大,这类波导的致密性可能受到限制。在亚波长范围内操纵光的另一种方法是等离激元。由于局域表面等离激元共振(Local Surface Plasmon Resonance,LSPR)的独特特性,金属纳米结构在可以在衍射极限以下限制和引导电磁能量,使其成为有希望的PICs构件。但是由于金属的固有损耗不可避免,导致光信号传播距离短,严重阻碍了等离激元波导的实际应用。在本文中,紧密排列的Au或Ag NPs线性排列,形成各种同质(homogeneous)或异质(heterogeneous)的NP链。采用COMSOL有限元方法(FEM)模拟研究了NP链的光学特性。Au和Ag的介电函数是用Palik书中的实验数据用Lorentz-Drude色散模型来拟合。当NPs较小(R=20 nm)时,无论是三聚体短链结构,还是长链结构,此时Au NPs位于两端,Ag NPs位于中间的异质结构是降低光传播损耗的最佳选择。而Ag NPs位于两端,Au NPs位于中间的异质链在传播过程中损失的能量占总能量的一半以上。当NP直径增加到80 nm时,此时即使是长链结构,中间NP组分耗散的能量仅占总能量的10%,特别是只要Ag NPs位于中间,两端排列Au NPs(异质结构)或者Ag NPs(同质结构)在传输过程中的耗散都是仅占总光能的6%左右。根本上,这种低传播损耗主要是由金属的波长相关介电常数决定的。随着激发(或共振)波长被调谐到红色和近红外区域,Au和Ag的介电常数的虚部仍然保持较小,而它们的实部足够大以至于极大地抑制了局域电场向金属内部的渗透,这在减少传播损耗方面起着至关重要的作用。考虑到异质链的高制造成本,在实践中,由中等大小的Ag NP(<100 nm)组成的同质链可能是一个更好的选择。
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