毕业设计（论文）-基于表面等离子体的跑道形滤波器的设计与分析.doc

湖南科技大学本科生毕业论文-1-目录第一章前言31.1研究表面等离子激元的意义31.2本文的研究范围和解决主要问题3第二章表面等离子体及其波导52.1表面等离子体研究的历史背景52.2表面等离子体的基本概念和特性52.2.1表面等离子体的基本概念52.2.2表面等离子体的基本特性62.2.3SPP与LSP的关系62.3洛伦兹模型和德鲁德模型62.3.1洛伦兹（Lorentz）模型72.3.2德鲁德（Drude）模型72.4金属-介质-金属等离子体波导10第三章数值计算方法113.1时域有限差分法的提出113.2时域有限差分法简介113.2.1差分运算的基本的概念123.2.2时域有限差分法基本原理123.2.3时域有限差分法基本特点153.2.4EastFDTD简介15第四章基于表面等离子体的跑道形滤波器的设计与分析164.1滤波器的基本特性和基本理论164.2基于表面等离子体的两种滤波器的设计与计算194.2.1环形滤波器的设计214.2.2跑道形滤波器的设计234.2.3两种滤波器的运算过程比较254.2.4两种滤波器的频率响应对比274.3基于表面等离子体的两种滤波器的一些参数对比分析28第五章结论29参考文献30湖南科技大学本科生毕业论文-2-致谢32附录A33B34湖南科技大学本科生毕业论文-3-第一章前言1.1研究表面等离子激元的意义伴随着国家利益的需要、人们对于生活品质的追求和科学技术的发展，信息技术渗透了国民经济、人民的生活和社会发展的各个领域和各个层次。现代信息技术对于器件微型化和高度集成化的要求，要求单元器件的尺寸越来越小，器件的空间距离也越来越小(均要突破光学衍射极限)，基于传统光学的基本原理和技术因受衍射极限的限制，在纳米尺度层面和结构上就难以实现与此相关的信息的传输、处理和相关技术应用等，不能满足科学技术发展的需要，因此迫切需要实现突破衍射极限的新机理和新技术；同时纳米尺度器件也表现出传统器件所不具有的新现象、新功能和新应用。纳米光子学(nanophotonics)就是在这种背景下产生的前沿科学。纳米光子学器件本身涉及多学科交叉，其光学行为将从波动光学范畴扩展到近场光学、量子光学和微区非线性光学等领域。作为实现量子调控的新一代的信息技术重要研究内容之一，美、日、英、法等发达国家先后投入了巨大人力和财力进行相关的基础和器件研究工作，纳米光子学已经列入了国家中长期科技规划。目前国际上实现纳米尺度的光学控制主要方法之一就是基于表面等离子体。利用表面等离子体可以将光学控制的维度从三维降为二维，实现纳米尺度超衍射极限的光传输的有效调控，同时可在纳米尺度上电磁能量局域汇聚放大，其空间尺度受限、场空间局域增强的特点，在微纳传感探测、纳米光子器件设计及其集成等纳米光子学领域具有重要应用。目前，随着纳米科学技术、近场扫描探针技术等的发展，国际上关于纳米尺度中的各种局域光学效应及表面等离子体在纳米光子学领域的应用和相关器件研究得到了广泛重视和蓬勃发展。亚波长金属微纳结构是激发和控制表面等离子体的主要结构。有效激发表面等离子体的金属微结构光子器件不仅能改善传统器件的性能，而且会产生一些新奇的物理现象以及实现新的器件功能，因而在微纳光子学、生物医学、信息等领域有着广阔的应用前景。1.2本文的研究范围和解决主要问题表面等离子激元沿着导体一电解质分界面处传播，传播距离大约是几百纳米到几微米，并在垂直表面的两个方向上，均以指数式衰减。传统光学由于衍射极限的限制，只能把光子器件做到波长(n)量级，而无法满足集成光学的需求，而基于表面等离子激元的光子器件则打破了衍射极限的限制，可以将光束缚在亚波长结构中传播，故有利于光器件的集成化发展。湖南科技大学本科生毕业论文-4-基于表面等离子激元的光波导由于可以将光场限制的很小，因而可以实现非常急剧的弯曲，进而可以做成非常小的跑道形波导。本文研究的基于表面等离子激元的共振滤波器就是一种十分重要，也是十分基础的光学器件，在光通信中有着很广泛的应用(如光开关，波分复用等)。本文主要通过EastFDTD软件分析、计算并比较跑道形滤波器与环形滤波器的优劣。湖南科技大学本科生毕业论文-5-第二章表面等离子体及其波导2.1表面等离子体研究的历史背景早在100多年前,人们就认识到贵金属(合金)纳米颗粒在可见光区表现出很强的宽带光吸收特征。这种现象实质上是由于费米能级附近导带上的自由电子在电磁场的驱动下在金属表面发生集体振荡,产生所谓局域表面等离激元；共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能。在理论上首次证明，表面等离子体激发现象的存在是Ritchic于19571年完成的，然而历史上第一次明确提出表面等离子体(surfaceplasmons)这个概念却是在之后的1960年由Stern2等完成的。同年powell和swan在实验上通过电子束观测到了薄金属膜上表面等离子体的激发。1968年Otto用他的衰减全反射(ATR)方法在实验中实现光波频段的表面等离子体的激发。虽然在1960年Stern等就提出表面等离子体这个概念,但是由于理论不够完善和技术不够先进,表面等离子体并没有显示出它的优点,不为人们所关注,所以该领域发展一直比较缓慢。直到该世纪八十年代初期，扫描隧道显微镜(seanningtunnelingmieroseope，STM)的发明(Binningetal，1982)大大推动了由传统的远场光学向近场光学的发展。1984年瑞士苏黎世IBM研究室的D.W.Pohl等人研制成功了世界上第一台近场扫描光学显微镜(near-fieldseanningoptiealmieroseopy,NSOM)。随着近场扫描光学显微镜的出现，使得在金属表面探测SPs成为可能,SPs的散射和局域性质得到了广泛的研究，形成了二维等离子体光学。表面等离子体光学仍然属于近场光学的范畴，顾名思义，它是以表面等离子体为核心研究内容的新兴学科。在最近十年,与表面等离激元有关的研究取得了众多令人鼓舞的新进展,而且迅速向其它领域交叉渗透,新的研究分支不断出现。国内关于与表面等离激元有关的研究进展介绍已经一些报道,涉及表面拉曼增强,传感器件,纳米光子学,左手材料,亚波长光学,及其它一些应用技术等等。2008年,PanStandord出版社出版了一本由南丹麦大学S.I.Bozhevolnyi主编的、题为PlasmonicNanoguidesandCircuits的文集,书中围绕各种SP波导,收集了12个专题论述3。2.2表面等离子体的基本概念和特性2.2.1表面等离子体的基本概念等离子体的定义为正离子和电子的密度大致相等的电离气体。通常等离子体中存在电子、正离子和中性粒子。金属表面有自由电子，入射光子和金属表面的自由电子相互耦合形成的局域电磁波就是表面等离子体，它是一种沿金属导体表湖南科技大学本科生毕业论文-6-面传播的电磁波，它是存在于金属表面的一种非辐射局域模式,其振幅随离开分界面的距离按指数衰减。表面等离子体包括表面等离极化激元(SurfacePlasmonPolariton，SPP)和局域表面等离激元(LocalizedSurfacePlasmon，LSP)共振两种。2.2.2表面等离子体的基本特性表面等离子体是金属表面自由电子在入射光场的激励下集体相干振荡，这种相互作用产生了表面等离子体并赋予其独特的性质。两个显著特征：（1）表面等离子体在传播方向上具有比光波大的传播波矢（即更短的波长）；（2）在与传播方向垂直的方向上是消逝场。由于表面等离子体在与界面垂直的方向上是振幅以指数衰减的方式传播，因不能通过传统的实验设备直接观测到。光子扫描隧道显微镜(PhotonScanningTunnelingMicroscope，PSTM)21是用探针探测样品表面附近被全反射光所激励的瞬逝场，从而获得表面结构信息。其分辨率远小于入射光的半波长，突破了光学显微镜半波长极限的限制。光子扫描隧道显微镜原理和工作方式与扫描隧道显微镜相似，所不同的是扫描隧道显微镜利用电子的隧道效应，光子扫描隧道显微镜则是利用光子的隧道效应。因而近场技术如光子扫描隧道显微镜可以用于对金属表面电场进行直接探测。光子扫描隧道显微镜是收集模式的扫描近场光学显微镜，样品放在棱镜的上表面，这样可以通过衰减内全反射的方法激发表面等离子体。纳米量级的针尖通常用光纤拉锥的方法制备，然后镀上一层金属膜。光子扫描隧道显微镜扫描的图像是近场电场强度分布的直观体现。2.2.3SPP与LSP的关系（1）LSP和SPP的不同两者的色散关系不同，SPP是一种表面的传播场，而LSP是依托于某种表面结构的局域电磁场振荡，具有一系列分立的、复数的频率，是由产生LSP的表面微结构的尺度形状决定的。LSP振荡可以由合适的频率和偏振的光来激发，与激励光的波矢无关，而SPP的激发则要求激励光的频率和波矢都要和SPP匹配（2）LSP和SPP可以相互转换在粗糙的表面，LSP和SPP的频率接近LSP振荡可以激励SPP，SPP也可以激发LSP。LSP和SPP之间能量的转换，对于SPP的激励起着重要作用。（因为LSP不要求波矢匹配，通过LSP来激发SPP效率更高）提高了表面结构对于SPP的散射作用。2.3洛伦兹模型和德鲁德模型湖南科技大学本科生毕业论文-7-表面等离子体波是一种可以在金属与介质表面上传播的光波模式。使用表面等离子体波，研究者们己经提出了各种具有亚波长尺度上导光性质的波导结构以及相关功能器件。金属的光频性质可用经典电子理论模型加以说明。2.3.1洛伦兹（Lorentz）模型洛伦兹（Lorentz）色散模型4是基于阻尼谐振子近似的色散理论(Lorentz，1909)。在均匀和各向同性的介质中，一级近似下，光与物质的相互作用可看作阻尼谐振子的受迫振荡。谐振子之间的相互作用，用阻尼系数来表征；假定介质的固有振荡频率为p，对于质量为m的谐振子受到的作用力有:与位移x成正比的弹性恢复力2pmx，与速度成正比的阻尼力mx和光电场驱动力0exp()eEit，e为谐振子的有效电荷。于是谐振子的运动方程可以表示为(方容川，2001):200exp()mxmxmxeEit（2.1）其中为入射光的频率。具有频率的量纲，表示谐振子相互碰撞的频率。由此方程即可得到谐振子在光波作用下的位移022()exp()pemxeEiti（2.2）由该表达式，结合电极化强度的定义，不难得到介电常数、折射率以及电导率的色散关系。理论上讲，Lorentz模型可以模拟绝大多数介质，包括金属。不过金属的独特结构使得基于自由电子气近似的德鲁德(Drude，1900)色散模