微米波导与金属纳米缝波导之间理想连接器的基础理论研究

The project proposes to use the antireflection coating theory and the transformation optics method to design ideal connector to realize efficient transmission of electromagnetic field between traditional microscale waveguide and novel nanoscale metallic plasmonic waveguide. The mechanism used is to design single or multiple layered structures along the propagation direction at the waveguide junction. The forms of these layered structures could be resonant cavities, gradual-changed structures or anisotropic materials. An antireflection theory that could be used in the plasmonic waveguides will be developed and the ideal resonant structures that could suppress the reflection field totally will be proposed in the project; the coupled wave theory and optimization algorithm will be used to study the broad-band/ low-loss gradient structure and achieve an efficient design method; the transformation optics method will be used to design the anisotropic material to guide electromagnetic field between cross-scale waveguides and realize efficient transmission. The completion of the project will enrich the SPP waveguide theory and provide the basic theory for the design of micro/nano hybrid integrated optical circuits, and thus has academic importance and application value.

本项目提出利用增透膜理论和变换光学方法设计理想连接器，实现传统微米尺寸波导和新型纳米尺寸金属表面等离子体激元波导之间电磁场的高效传输。其方法是在波导连接节点设计沿传输方向排列的单层或多层过渡结构。这种层状结构的形式可以是共振腔、渐变结构或者各向异性材料。本项目将在研究中发展出适用于表面等离子体激元波导的小反射理论，实现理想的反射全抑制的共振腔结构；利用耦合波理论和优化算法，研究宽波带/低损耗的渐变结构，并形成有效的设计方法；利用变换光学方法设计各向异性材料，引导电磁波在跨尺度波导之间高效传输。该项目的顺利完成将丰富表面等离子体激元波导理论，为微米/纳米混合集成光学回路的设计提供依据，具有重要的学术意义和应用价值。

表面等离激元是近期科学领域研究的热门方向。其中，利用金属材料制作的亚波长波导是表面等离子激元的一个有效应用。这种波导的表面等离子体模式没有截止尺寸限制，因此其尺寸可以是深度亚波长。这种新型波导与传统波导在尺寸上存在较大差异，电磁波在不同尺寸载体之间传输时会导致阻抗不匹配现象，本项目重点研究了不同尺寸金属波导的有效连接问题。我们比较了几种不同形式的特征阻抗模型，利用一种更一般的阻抗模型来计算不同尺寸金属波导连接端口电磁场传输，编写了数值仿真计算程序。为了能够有效的解决波导之间阻抗不匹配现象，我们利用变换光学原理设计了一种无反射的金属波导连接结构，得到了具有一般性的设计方法和适用条件。此外，我们提出的这种变换介质具有非磁性，具有实际应用价值。.金属在微波波段的趋肤深度非常小，因此电磁波在金属表面的局域性比较差。但是通过在金属表面构造一个周期性的槽结构可以实现类似表面等离激元的有效传输，这种电磁波的传播形式叫做伪表面等离子激元。本项目研究了微波波段几种不同波导内伪表面等离子激元的性质。我们研究了伪表面等离子激元波导的模式，提出了利用拉链结构实现与传统金属槽波导之间的连接以及伪表面等离子激元波导模式的激发。提出了一种计算伪表面等离子激元波导色散关系的一般性方法；提出了一种L型的伪表面等离子激元波导并研究了其色散性质和在慢波上的应用。这种伪表面等离子激元波导具有尺寸小，电磁波局域性高且调节灵活的特点，在微波传输和集成领域具有重要意义。.此外，我们还研究了纳米缝以及光子晶体波导的电磁场传输性质，包括近场局域，共振，以及手性传输性质，设计并提出了多种新型光功能器件，包括近场光刻，近场亚波长聚焦，光束转换器等等。.综上，在本基金的资助下，我们完成了预设的研究目标，并额外拓展了研究领域，发表了SCI论文8篇，参加国际会议4次，联合培养研究生多名。

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