We propose a polarization-insensitive design of a hybrid plasmonic waveguide (HPWG) optimized at the 3.392 μm wavelength which corresponds to the absorption line of methane gas. The waveguide design is capable of providing high mode sensitivity (Smode) and evanescent field ratio (EFR) for both transverse electric (TE) and transverse magnetic (TM) hybrid modes. The modal analysis of the waveguide is performed via 2-dimension (2D) and 3-dimension (3D) finite element methods (FEMs). At optimized waveguide parameters, Smode and EFR of 0.94 and 0.704, can be obtained for the TE hybrid mode, respectively, whereas the TM hybrid mode can offer Smode and EFR of 0.86 and 0.67, respectively. The TE and TM hybrid modes power dissipation of ~3 dB can be obtained for a 20-μm-long hybrid plasmonic waveguide at the 60% gas concentration. We believe that the highly sensitive waveguide scheme proposed in this work overcomes the limitation of the polarization controlled light and can be utilized in gas sensing applications.

提出了一种新颖的基于金属脊-三角形半导体的混合表面等离子体波导结构, 基于有限元法对该波导结构进行了数值仿真和分析.主要研究了该结构的电场分布、传输长度、归一化模场面积和质量因数.结果表明:在工作波长为1550 nm时, 通过优化参数, 其有效模场面积达到0.00193 λ2, 传输长度为37.7 μm, 质量因数为4853, 该结构具有较低的损耗.与金属平板混合波导结构相比, 具有更大的质量因数, 更强的光场限制能力, 波导的综合性能更好.这种波导结构在微纳米光子学、光电子通讯和光信息存储等领域具有广阔应用前景.

提出了一种基于混合表面等离子体波导（HPW）的纳米激光器，并对其进行了理论研究和仿真分析。此结构通过金属-介质界面的表面等离子体模式与高增益介质半导体纳米线波导模式耦合，使中间的空气间隙场强得到显著增大，并保持低损耗传输，实现对输出光场的深亚波长约束。通过对几何参数进行优化，得到具有较小阈值和较高品质因数的纳米激光器。与边缘耦合混合表面等离子体纳米激光器比较可知，当二者的几何参数相同时，基于HPW的纳米激光器具有更小的阈值。

基于传统混合表面等离子体波导, 提出了一种半导体纳米线和纳米金属肋混合的表面等离子体波导.采用有限元法对其模式特性进行了数值模拟, 研究了该波导的有效折射率、传播损耗、归一化模场面积等特性随波导几何尺寸的变化规律, 分析了该混合波导的增益阈值.结果表明: 该波导具有较低的传播损耗和较强的光场限制能力, 并且混合模式的最小模面积仅为0.001 52 μm2.

提出并分析了一种结构紧凑的截线型滤波器。该滤波器建立在一种硅基混合型表面等离激元波导结构上。与通常的混合等离激元结构相比, 该波导结构在制作时只需对顶部的一层硅材料进行刻蚀, 不需在光刻步骤进行对准和套刻, 工艺简单易行。该截线滤波器由一截突柱波导与直波导耦合组成, 并采用三维时域有限差分方法对其频谱响应进行模拟计算。计算结果表明该滤波器与现有文献中的二维金属-绝缘体-金属波导截线滤波器具有类似的频谱特性。另外, 还进一步分析了截线部分及波导自身尺寸对器件输出频谱的影响。

设计了由半导体纳米线和半圆顶金属脊组成的混合表面等离子体波导.通过有限元法对这种波导所支持混合模式的深亚波长局域、传播损耗等特性进行了数值计算.结果表明，在工作波长为1.55 μm的情况下，混合模式的最小模面积仅为0.001 81(λ2/4)，同时保持20 μm的传播距离；与同类结构波导相比具有模场面积小，光传播距离远等优点，在光子集成元器件及光子集成电路等领域具有潜在应用价值.

在传统脊状等离子体波导的基础上设计了一种带有增益介质层的新型混合脊状等离子体波导, 其结构中的介质层部分包含两个区域: 前区为单一介质, 后区的脊是由2种介质构成的双层脊区。采用二维时域有限差分方法分析了波导结构的传输特性, 得到了TM模下的电场分布图, 并对输出功率以及传输损耗与结构参数和介质折射率的变化规律进行了讨论。结果表明, 在波导中引入的增益介质材料磷化铟后其损耗达到-6 dB/μm。此种波导结构对于光集成芯片的研究与制作具有重要意义。