群速度色散和损耗色散对spp脉冲展宽的影响.docx

群速度色散和损耗色散对SPP脉冲展宽的影响
本文关键词：
色散，展宽，损耗，脉冲，速度
本文简介：引言　　　　表面等离激元（Surfaceplasmonpolaritons,SPPs）是存在于金属与介质界面的一种非辐射局域电磁场形式，它是由介电常数大于零的介质和介电常数小于零的介质，在金属交界面处自由电子纵向振荡产生的，这种激元能突破光的衍射限制，被认为是下一代集成光子线路的潜在信息载体。由于金
本文内容：
引言
表面等离激元（Surfaceplasmonpolaritons,SPPs）是存在于金属与介质界面的一种非辐射局域电磁场形式，它是由介电常数大于零的介质和介电常数小于零的介质，在金属交界面处自由电子纵向振荡产生的，这种激元能突破光的衍射限制，被认为是下一代集成光子线路的潜在信息载体。由于金属具有较强的色散效应，飞秒SPP脉冲在其中传输过程中将不可避免地经历脉冲变形展宽],这将限制数据的传输速率、传输距离和器件的存储能力。此外，SPP波导存在损耗色散，即损耗是频率的函数，短脉冲在波导中传输时，宽度也会因此受到影响。因此，分析金属-介质-金属（Metal-insulator-metal,MIM）的群速度色散和损耗色散对脉冲宽度的影响，对于飞秒脉冲在SPP波导中传输有着十分重要的意义。为此，本文分析了群速度色散和损耗色散对SPP脉冲展宽的影响，寻找脉冲展宽程度较大、较小、甚至是不变的区域，为飞秒SPP脉宽不变的传输提供理论依据。
1群速度色散对脉冲宽度的影响
图1是MIM波导的结构示意图，中间是介质层，本文中假定为空气，相对介电常数为1,在z方向，介质层的上面和下面是半无限宽的同一种金属的包层，假定金属为银。y方向为无限大。金属银的相对介电常数εm采用Drude色散模型描述：【1】
式中，ε∞是入射电磁波频率较大时的相对介电常数；ωp是金属的等离子体频率；ω是入射电磁波的圆频率；γ是电子间的碰撞频率，代表损耗。本文中ε∞、、××1013rad·s-1.【图1】
在本文讨论过程中，MIM波导中间空气层在z方向上的宽度不超过200nm,因此仅存在TM0传播模式，其色散方程为：【2】
式中，β是SPP的传播常数；k0是自由空间中的波矢量；εd是介质的相对介电常数，d是介质层在z方向上的宽度。
在图1中，SPP脉冲由左端入射，在波导的入射端x=0处，SPP脉冲的表达式为：【3】
式中：H（0,t）是磁场强度，τ0是脉冲宽度，ω0是脉冲中心圆频率。
将（3）式进行傅里叶变换得到x=0处脉冲的频谱：【4】
在MIM波导中，SPP的复传播常数为：【5】
式中，βr（ω）是传播常数的实部，βi（ω）是传播常数的虚部。
如果不考虑损耗色散，每个频率成分传播距离x后，磁场强度可以表示成：【6】
对表达式（6）进行逆傅里叶变换，得到脉冲传播到x处的时域形式：【7】
在SPP波导中，，也就是MIM波导有效折射率，如图2所示，图中k0是真空中的波矢量。从图中可以看出，当中间的介质层宽度一定时，MIM波导的有效折射率随着SPP频率变化而改变。因此，当SPP脉