基于表面等离子激元的纳米激光器能够将光源的尺寸降低几个数量级,结合表面等离子体波可将波长限制在纳米尺度内传输,突破衍射极限,从而实现与电子学器件的尺寸相匹配,最终实现整个光互连系统的小型化和低功耗。简述了表面等离子激元的基本原理,对近年来的表面等离子激元纳米激光器的研究工作进行了总结,详细介绍了各种结构及其优势,指出了该类激光器在开发过程中面临的挑战和今后的工作重点,展望了纳米激光器广泛的应用前景。

本文设计了一种基于同心纳米圆环谐振腔的金属-介质-金属(MIM)表面等离子体光波导(SPW), 其中外侧是一个完整的环形谐振腔, 而内侧环形谐振腔带有一个微小缺口。利用数值和解析方法分析了不同几何参数下的传输特性。可以发现, 当缺口宽度θ=5°, 位置φ=45°时, 会在波长674 nm处产生明显的等离子体诱导吸收(Plasmonic Induced Absorption, PIA)现象。基于此, 首先研究了该结构在折射率传感器方面的应用, 研究结果表明, 其灵敏度超过600 nm/RIU, 最大品质因子约为700。其次研究了其快光和慢光特性, 在PIA传输谷处会产生约-0.081 ps的光学延迟, 意味着较大的异常色散和快光效应, 而在PIA传输谷两侧的传输峰处会分别产生约为0.045 ps和0.043 ps的光学延迟, 意味着较大的正常色散和慢光效应。这种表面等离子体光波导结构在折射率传感器、纳米滤波器、光开关和片上纳米光学器件集成等领域有一定的应用前景。

本文设计了一种支持多重Fano谐振的金属-介质-金属(MIM)型表面等离子体光波导(SPW)结构,该结构由带有枝节谐振腔的直波导耦合同心双圆环谐振腔组成。利用有限元法进行数值仿真,研究了耦合距离、枝节的高度以及同心双圆环内、外环半径对Fano传输特性的影响。同时,结合磁场分布图,分析了多重Fano谐振形成的物理机理。另外,通过改变填充在同心双圆环谐振腔内介质材料的折射率研究了该结构在折射率传感器领域的应用。该波导结构具有灵敏度为1 400 nm/RIU,品质因数高达1 380的传感特性。最后,本文研究了该波导结构的慢光特性,研究表明Fano峰附近的最大群折射率约为11.4,最大延迟时间约为0.076 ps。这种SPW结构在纳米尺度的滤波器、折射率传感器以及慢光器件等领域有着潜在的应用前景。

本文设计了一种支持Fano谐振传输特性的金属-介质-金属(MIM)型表面等离子体光波导结构,该结构由带有枝节谐振腔的直波导和一个开口方环谐振腔组成。利用数值方法详细研究了Fano谐振传输特性对几何参数的依赖关系,并通过时域耦合模理论(CMT)对给定参数条件下的传输谱进行了拟合验证。同时,也对该结构在折射率传感器方面的应用进行了研究,通过计算介质折射率变化引起的Fano谐振峰的波长变化可以发现,传感器的灵敏度高达1500 nm／RIU,品质因子超过1800。这种表面等离子体光波导结构在光子器件集成及纳米滤波器、快速光开关以及折射率传感器等领域有一定的应用前景。

本文设计了一种带有两个水平侧耦合Fabry-Perot (FP)共振腔的基于金属-绝缘体-金属(MIM)结构的Y型表面等离子体光波导结构。传输谱存在一个较窄的阻带，两个腔的长度相同时，两个输出端的传输谱几乎完全重合；两个腔长度不同时每个输出端的传输谱上的阻带位置也不同，并且当一个输出端透射率达到最小时，另一个输出端的透射率接近最大。通过调节两个FP共振腔的长度、宽度以及腔内介质的折射率，可以调节表面等离子体激元在腔内发生共振从而形成驻波的工作波长，实现探测灵敏度高达1280 nm/RIU、品质因子大于200的传感特性。利用这些特性可以在两个输出端对不同的工作波长实现滤波、开关、分束等功能，因此这种亚波长表面等离子体光波导结构在集成光学滤波器、纳米光开关、分束器以及折射率传感器等领域有一定的应用前景。

设计了一种基于非线性介质SiNC/SiO2的混合表面等离子体波导，利用有限元方法定量分析了这种波导所支持基模的能流密度分布、有效折射率、传播长度和有效面积与几何结构参数以及非线性介质的依赖关系.分析结果表明，光场主要被限制在非线性区域，通过调节非线性层的厚度以及非线性比例因子，可以实现模式的有效折射率和传播长度等传输特性参数的调节.固定非线性介质比例因子，有效折射率和传播距离随非线性层厚度增加而增大；固定波导尺寸，有效折射率随比例因子增大而增大，传播距离和有效面积较小.最后，根据分析结果对非线性效应进行优化，优化后波导最优结构尺寸为波导宽度为250 nm，非线性材料层厚度为100 nm，硅层厚度为150 nm.

为实现长距离传输及亚波长尺度的模式限制，在传统介质加载型表面等离子结构的基础上，设计了一种微孔介质加载混合表面等离子体波导，采用时域有限差分法(FDTD)对该波导模式场分布及传输特性进行了相应的研究。研究表明所设计的波导结构具有较强的局域场限制，通过在孔内填充增益介质，使混合等离子体波导的传输损耗得到了补偿，输出端的表面等离子激元实现了增益放大。结果表明，通过调整波导的几何参数和电磁参数，可以显著提高波导的场限制，降低波导本身的损耗，其中当孔与金属之间距离为44 nm时，波导的损耗达最小约为-13 dB/μm。这一设计可以为光子器件集成提供一定的理论和实验借鉴价值。

作为亚波长的表面等离子体光波导,在传导电磁场模式的过程中,模式间的串扰是影响模式传输距离及其它物理特性的一个重要因素,因此本文首先系统地研究了两个平行放置的由介质-金属-介质纳米线阵列构成的混合表面等离子体光波导的模式耦合和串扰特性;其次作为对比,把波导结构变为金属-介质-金属纳米线阵列,同样平行放置两个来研究其模式耦合与串扰特性．研究结果表明,这两种混合表面等离子体光波导所支持的电磁场基模的耦合长度远大于其有效传输距离。因此在进行高密度集成时,模式间发生串扰的概率将会非常小。基于这种特性,这两种结构的混合表面等离子体光波导可以应用于高密度光子器件集成、纳米光子学和生物传感器等领域。

设计了一种适用于光电子集成电路的表面等离子体波导结构.利用三维全矢量时域有限差分法对该波导结构进行了数值模拟, 并分析了其在基模传输时的模式场分布与金属结构顶角的关系以及其能量限制性.研究了该波导结构在不同金属材料下的有效折射率和传播长度对芯层宽度的依赖关系, 讨论了两个该波导结构之间的耦合长度、最大转移功率和彼此间的串扰.结果表明: 光场被高度限制在芯层区域, 在金属结构顶角为135°时, 其能量限制因子更高；在金属材料确定的情况下, 有效折射率随芯层宽度增大而减小, 而传播长度增大；在芯层宽度一定的条件下, 两个波导结构间的耦合长度随波导间距增大而增大, 最大转移功率和串扰随波导间距增大而减小.