（光学专业论文）银纳米线波导的激发、损耗与互联特性研究.pdf

摘要 摘要 摘要 光学互联可以解决电子互联在延迟、功耗、带宽等方面的限制，光学器件与 电子器件的芯片集成可以充分发挥各自的优势，大幅提升信息处理系统的性能。 银纳米线表面等离子体激元(spp)能够将电磁波束缚在纳米尺度空间内传输，对 波导尺寸没有限制，有可能做为纳米光学互联或器件。本论文主要从实验上研究 化学合成的银纳米线 spp 的激发特性、损耗特性、基于银纳米线及银纳米线与 zno 光波导结构的互联耦合特性。主要研究内容如下： 使用探针将银纳米线弯曲成不同曲率的波导，并采用光学远场激发和探测 的方式测量银纳米线的损耗。通过直银纳米线与弯曲银纳米线端面出射强 度的比值扣除传输损耗，我们研究了置于玻璃衬底上银纳米线的弯曲损耗 对曲率半径、银纳米线直径和激发波长的依赖关系，分别给出了激发波长 分别为 632.8nm 和 780nm 时，直径约 200nm 和 270nm 的银纳米线的弯曲 损耗系数与曲率半径的定量依赖关系。弯曲损耗随弯曲半径的减小而迅速 增大，而随着银纳米线直径的减小而减小。研究结果可用于纳米集成光路 中弯曲波导的优化设计。 通过搭建银纳米线 spp 的路由传输结构，在同一根银纳米线上改变 spp 的 传输距离而不改变激发条件，较为准确地测量了置于玻璃衬底上直径约为 200nm 的银纳米线的传输损耗。在激发波长为 632.8nm 和 780nm 时，分别 测得传输损耗系数为 1 1150 m和 1 m，表明长波激发时的传输损耗 小而短波激发时的传输损耗大。 .0923. 0 从实验上实现和研究了基于银纳米线波导的耦合器件，包括基于银纳米线 的 22 端口分束器、s 形银纳米线波导传输特性和基于银纳米线与 zno 光 波导的耦合分束。通过改变耦合区长度，22 端口分束器可以实现任意分 束比；s 形银纳米线可用于纳米光学互联，其 spp 透过率仅与银纳米线的 曲率和弧长有关， 与端口的横向偏移距离无关； 银纳米线 spp 可以通过 zno 光波导激发，具有很高的激发效率，且银纳米线 spp 也可以转换成 zno 光 波导的传播模式；银纳米线可用于 zno 光波导间的互联，实现衍射极限下 光信号在 zno 光波导间的传输，且具有波长选择性和结构依赖性。这些实 验探索对纳米集成光路与介质光波导系统的兼容有参考价值。 研究了四种银纳米线 spp 的激发结构：银纳米线端面激发、颗粒银纳米 i 摘要 ii 线耦合激发、弯曲点激发及纳米线交叠区激发。我们的实验表明银纳米线 上对称性遭到破坏的结构都可用于远场激发 spp。使用银纳米线端面做为 spp 激发源时，其激发效率对入射光场的偏振具有明显的余弦依赖关系， 且余弦关系的初位相与激发波长和银纳米线端面形貌有关。 关键词：关键词：银纳米线 表面等离子体激元 传输损耗 弯曲损耗 纳米集成光路 纳米光学器件 abstract abstract the optical interconnects are the potential choice to overcome the difficulties of electronic interconnects, such as time delay, power dissipation and bandwidth limitation. taking advantage of the ability of both photonic and electronic devices, the system based on oeic (optoelectronic integrated circuit) chip will possess tremendously-enhanced information processing ability. silver nanowire is a candidate for the optical interconnect due to its ability to support surface plasmon polariton. the optical properties of the chemically-synthesized silver nanowire are invesitigated experimentally in this thesis. illuminated and imaged in a far-field microscope, several kinds of the excitation scheme of spp(surface plasmon polaritons) are realized experimentally; the propagation losses and bending losses of the silver nanowires are measured and analyzed. also, some functional devices composed with silver nanowires and zno optical waveguides are fabricated and measured. the main works and conclusions are as follows: silver nanowire waveguide was bent and the bending curvature was controlled with a fiber probe. taking away the propagation loss by the ratio of the emission intensity of the bending and the straight silver nanowire, the bending loss of the silver nanowire putting on the glass substrate was investigated at different bending radius, wire diameters and exciting wavelengths. two kinds of silver nanowires with diameters of 200nm and 270nm are measured at excitation wavelengths of 632.8nm and 780nm. the experiments indicate that bending loss increases as the bending radius decreases or the wire diameter increases. our results can be used to optimize the fabrication of bending waveguide in oeic. a silver nanowire with diameter of 200nm was put on the glass substrate, its propagation loss was accurately measured in the branched-routing structure since the propagating length of spp can be varied without changing the excitation condition. the propagation loss was measured as 1 115 m with excitation wavelength of 632.8nm and 1 m with excitation wavelength of 780nm, which indicates that the propagation loss of spp is smaller at longer-wavelength excition. . 0 0923. 0 iii abstract iv several coupling devices based on silver nanowire waveguide were realized and investigated experimentally, including 22 beam splitter based silver nanowire, s-shaped silver nanowire waveguide, coupled beam splitter based on silver nanowire and zno waveguide. the splitting ratio of the 22 beam splitter can be altered as you want by changing the coupling length, and here spp splitting ratio0:1, 1:0 and 3:2 have been realized experimentally. the s-shaped nanowire waveguide can be used to connect two seperated straight waveguides, the transmittance of the s-shaped nanowire dosent depend on the end-to-end distance of the s-shape but on the arc length and curvature radius of the s-shaped nanowire. the silver nanowire was also used as a coupler between two paralleled zno waveguide. our experimental exploration will contributed to the capatability of nano oeic and the trandional opical waveguides. four schemes of spp excitation along silver nanowires are explored: the end of the nanowire, particle-nanowire coupling system, bending corner of the nanowire and the cross of two silver nanowires. our experiments indicate that spp can be excited by far-field illumination if the symmetry of the silver nanowire was broken. in the end excitation scheme, we found a consine dependence of the excitation efficiency on the polarization of the incident light, the initial pahse of the consine dependence was related to the topography of the end face and the wavelength of the light. keywords: silver nanowire, surface plasmon polariton, propagation loss, bending loss, nanophotonic integrated circuit, nanophotonic device. 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。 与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：_ 签字日期：_ 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 做为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 公开 保密（_年） 作者签名：_ 导师签名：_ 签字日期：_ 签字日期：_ 第一章 引言 第一章 引言 第一章 引言 到目前为止， 电子器件依然是信息的产生、 获取、 传输、 处理和存储的主体。 从 1965 年摩尔定律提出以来，电子器件的发展都几乎遵循着摩尔定律1，其特 征尺寸不断缩小，由 0.25 微米、0.18 微米、0.13 微米、90 纳米、65 纳米直至目 前的 45 纳米和 32 纳米，并继续向 16 纳米发展，不断的逼近物理极限。随着晶 体管集成度的不断提高，cpu的数据处理能力不断增强，而总线的数据传输速率 远不能满足cpu的数据处理需求，这就限制了电子器件信息处理能力的发挥。与 之相应的是， 当今社会的信息总量却成指数增长， 对数据处理系统有更高的要求。 在超大规模集成电路设计中， 通常使用铜线互联， 带宽有限， 系统对延迟、 功耗、 带宽和噪声的要求越来越难以满足， 电子互联的有限带宽和数据传输速率严重的 限制着其数据处理能力的发挥2。因此，就需要能够工作在纳米尺度下并高速传 输的信息载体以解决信息传输的带宽和速率问题， 充分发挥电子系统在现代信息 处理中的作用。 光子具有多维信息，可以做为信息载体，并且具备高速度、高频性、抗干扰 性、并行性、频带宽等优点，适合用于大容量高速度的信息传输和处理3。由于 仅需要光电和电光转换，光学互联在构建全球通信网络中很具有吸引力，如在目 前的全球通信网络中使用光纤代替电缆做为电子处理系统间的互联， 使信息的传 输带宽和速度得到极大提高。同样，如果将光学器件和电子器件集成在同一芯片 上，就可以解决电子系统中电子互联的传输速率和带宽的瓶颈问题，极大的提高 器件的性能。芯片级光学互联首先由goodman在 1984 年提出4，与电子互联相 比256，光学互联在功耗、延迟、带宽和噪声等方面具有明显的优势，而对于 全光信息处理系统，光学互联还是构成器件必不可少的基本元件。然而，无论对 于芯片级的光学器件和电子器件的集成还是对于全光处理芯片， 首要的问题是电 子元件与光学互联的尺寸匹配所带来的困难纳米尺度下的光波传输。因此，如 何将光波压缩在纳米尺度空间内传输就成了实现纳米集成光路的关键。 金属表面 等离子体激元(spp: surface plasmon polariton)可以将电磁波压缩在纳米尺寸空间 内传输，有望解决光学器件和电子器件芯片集成中的尺寸匹配问题，成为新一代 的芯片集成技术7 11。 1.1 光波局限性与 spp 的特性 1.1.1 光波传输的空间局限性 1 第一章 引言 很久以前人们就开始对光的特性进行了研究，如偏振特性、折射和反射等， 这些都是在远大于光波长的空间内进行的，光波是不受限的。当光波用于传递信 息在光波导内传输时，如图 1-1 所示，传播方向为z轴正方向，光波在垂直于传 播的二维方向上受到限制。 这种在有限的空间内或有限孔径波导内的传播过程本 身就是一种滤波过程12。对于图 1-1 所示的光纤结构，频率为的光波在其中传 播时，包层和芯径内的传播常数满足 22222 cladyx n (1.1a) 22222 coreyx nkk (1.1b) 图 1-1 图 1-1 光纤波导结构示意图。 对于光纤等介质光波导， 其包层和芯径的折射率，和为实数，0 cladcore nn x k y k x 和 y 为纯虚数。传播常数满足 coreyxyx nkk 2 , (1.1c) 由动量不确定关系知波导中传播光束的最小直径满足 hpd core nd2 (1.2) 即光波的衍射极限， 这也是光纤等介质光波导的最小芯径， 当芯径小于这个值时， 光波就不能被约束在光波导中传播而辐射出去， 光学微腔中的有效模体积也受衍 射极限的限制使其模体积不可能小于32n 13。在通信波长 1550nm时，石英光 纤折射率取4，则最小的光纤芯径由(1.2)式知约200nm，远大于现在集成电路的 工艺尺寸。介质光波导受衍射极限的限制，其尺寸不可能小于衍射极限，不能够 用来解决光学器件与电子器件芯片集成中的尺寸匹配问题。 2 第一章 引言 当为负数时，由(1.1b)式知， 2 core n、和至少有一个为虚数。若有沿芯 径传播的模式存在， x k y k 就不能是纯虚数，则和至少有一个为虚数，光波在 该维度方向上是衰逝波，波导尺寸不受任何限制。当和都为虚数时，则在 垂直于传播方向的二维方向上波导尺寸都不受衍射极限的限制， 即波导芯径可以 无限小。对于电介质，如硅、二氧化硅等，其介电常数在可见光和近红外波段都 是正值，而银、金等贵金属在可见光和近红外其介电常数为复数 x k y k x k y k 14,满足这种不 受衍射极限限制的波导对材料的要求，只是此时波导传播的不再是光波，而是 spp。 1.1.2 spp 的特性 当低频电磁波入射到金属表面时，金属对电磁波有较高的反射率；当高频电 磁波入射到金属表面时，金属对电磁波可近似看作是透明的，在这两种情况下， 金属可以近似看成是良好的导体， 入射电磁波与金属表面自由电子不会发生强烈 的相互作用。但是，当入射电磁波处在可见光区和近红外区时，金属对电磁波不 再呈现出良好的导体特性，两者间会产生很强的相互作用，使金属表现出独特的 光学性质。这种光学特性源自于金属介电常数在可见光和近红外频段为复数15， 即 mmm i , 0 m mm (1.3) 使金属介质界面上可以存在表面等离子体激元(spp)，这种spp的存在形式有 两种：一种是在平滑的金属表面上可以传播的，称为传导型表面等离子体激元； 另一种是局域在金属表面而没有传输行为，称为局域表面等离子体激元，两种表 面等离子体激元都具有局域特性，但它们的色散关系并不相同，这也就决定了它 们有不同的特性和应用范围。传播的spp不同于光波导中传播的光波，它可以 将电磁波压缩在纳米尺度空间内传输。 图图 1-2 金属介质界面上 spp 沿 x 方向的传播。a. spp 传播方向上的正负电荷分布；b 电场强度与离开界面距离 z 依赖关系；c 电场强度 z ee与传播距离 x 依赖关系。 3 第一章 引言 a. spp色散关系 无限大金属平板结构如图1-2 a所示，金属介电常数为 1 ，其上覆盖一层介 电常数为 2 的电介质，通常为空气，坐标轴如图所示。金属表面自由电子密度 的集体相干起伏变化产生表面等离子体振荡16，并且p方向偏振电磁波沿如图所 示的x方向传播。在y方向是一维无限大的，波函数对y没有依赖性，则介质和金 属中的电磁场可记为 )(exp)0 , 0(tzkxkihh izixi y ii (1.4) )(exp), 0 ,(tzkxkieee izixizixii (1.5) 其中，2 , 1izz 1 zz 2 。方程(1.4)和(1.5)满足麦克斯韦方程组 t e c h i ii 1 (1.6) t h c e i i 1 (1.7) 0 iie (1.8) 0 i h (1.9) 及连续性边界条件 21xx ee (1.10) 21yy hh (1.11) 2211zz ee (1.12) 由方程(1.4)(1.12)，得 0 21 yy hh (1.13) 0 2 2 2 1 1 1 y z y z h k h k (1.14) 根据(1.13)和(1.14)式，当金属界面处存在spp时，界面两侧的介电常数需满足条 件 0 2 2 1 1 zz kk (1.15) 从(1.15)式可知，只有当界面两侧的介电常数符号不同时，才有可能存在spp。 另外，spp传播常数满足 4 第一章 引言 222 )( zixi kk c (1.16) 对(1.15)、(1.16)整理可得spp沿x方向的传播常数 21 21 21 )( c kx (1.17) 即金属表面spp的色散关系。 从色散关系可以看出，spp依赖于金属表面的介质 环境 2 和入射电磁波频率。 b. spp空间扩展范围 在图1.2 a所示的结构中，spp电场在z方向的分量与坐标z有下面关系 z e (1.18) )exp(zike zz 电场幅度与z轴方向传播距离成指数衰减关系， 如图1-2 b所示。 由(1.16)和(1.17) 式知，ckx，为复数 zi k 21 21 2 )( i zi c k (1.19) 考虑到式(1.1)，电场衰减到e1时的界面法向距离 21 2 1 2 1 2 )( 2 d (1.20) 21 2 2 2 1 1 )( 2 d (1.21) 其中，是入射波长。对于银膜，当入射波长nm600时， 15 nmd24 1 nmd390 2 。当很大时， x k xzi ikk ，此时， x kd1，电磁波被束缚在很小 的空间范围内。可见，通过改变金属界面处的介质环境，能够有效的调节电场的 空间延伸范围。 c. spp在金属表面上的传播范围 金属介质界面上，spp电场与其传播方向传播距离x满足下面传播关系 (1.22) )exp(xike x 其中，传播常数，由式(1.1)和(1.17)得 xxx ikkk 21 2 1 2 1 )( c kx (1.23) 5 第一章 引言 2 1 123 2 1 2 1 )(2 )( c kx (1.24) 即电场e与成指数衰减关系， 如图1-2 c所示， 电场幅度 x ke衰减到e1的传播 距离 sp l为传播长度 时 称 2 1 123 2 1 2 1 1 )(2 )( c lsp (1.25) 在金属表面，当入射波长nm5 .514时，mlsp22；入射波长nm1060时， mlsp500 17。可见，spp的传播距离可以满足操作要求。 从上面的理论分析可知，spp存在于介电常数相反的介质界面上，对介质环 境很敏感， 使spp很容易通过介质来操控；spp被局域在金属介质界面两侧很 小的空间范围内，随着离开界面距离的增加，其强度指数衰减；spp具有传输损 耗特性，随着传播距离的增加，其强度缓慢的衰减。 1.2 spp 的激发与探测 spp可以由电子或光子来激发。无论是采用电子还是光子激发，都需要满足 动量匹配条件， 即入射到金属表面的电子或光子都要传递一定的动量给金属表面 电子以激励电子振荡，激发电子或光子损失的动量由spp的传播常数k确定。 由于电子束孔径和能量间矛盾的限制，使电子适合用于激发拥有较大传播常数 的spp，不适合小kspp的激发 x来 的 x k x 17，而光子激发不存在这些问题，因此，下 面我们主要介绍spp的光学激发方式。 1.2.1 spp 的激发 由金属介质界面上spp的色散关系曲线如图1-3所示，同频率下，spp的 波失大于空气中的光波失，两者可以无限靠近，但不会交叠，空气中的光波不能 激发spp；棱镜中入射光的色散曲线与spp的色散曲线相交与点b，棱镜中的光 波可以激发spp,而spp的激发需要入射光波失在界面方向上的投影与spp的波 失匹配，即斜入射光的投影与spp色散曲线相交叠，如图中a点所示，故当交 点位于空气中光线和棱镜中光线之间时，都可以激发spp。波失匹配关系可以写 为 x knk)sin( 0 (1.26) 其中，为空气中光波失，n为棱镜折射率()， 0 k 2 2 n是斜入射角，(1.17)带入 (1.26)得 6 第一章 引言 21 21 1 )sin( (1.27) 由式(1.27)可以求出能够激发spp的光线斜入射角。因此，可以很方便的通过 构造结构实现光波与spp的波失匹配。 图 图 1-3 棱镜金属空气界面上 spp 色散色散关系。c: 空气的光线；c/n: 棱镜中的光 线；c/nsin(): 棱镜中光线沿界面的投影；spp: 棱镜金属界面 spp 色散关系。 图图 1-4 spp 激发装置。a kretschmann 结构，b otto 结构，c 表面缺陷散射激发，d 波 导激发。 7 第一章 引言 如图1-4所示的结构， 都可以实现光波与spp的波失匹配。 图a是kretschm 结构，棱镜与金属直接接触，spp传播如图所示；当金属膜很厚时，光子的隧穿 效应很弱，不能激发上表面的spp，此时，otto结构比较适合，如图b所示，金属 与棱镜间有一薄介质层，spp在金属下表面激发，但该结构不利于spp的应用； 金属线spp的激发如图d所，弯曲光波导与金属线相切，光波导界面上的倏逝波 与金属表面自由电子相互作用激发spp，这种方式主要用于波导spp的激发，具 有很高的激发效率。对于粗糙或有缺陷的金属表面，spp的激发不需要专门的结 构来实现spp波失与光波失间的波失匹配，表面的粗糙起伏可以将入射光直接散 射到所有的空间方向上去 ann 17，这种效应可以提供spp波失与光波失间的波失失配 量，如图1-4 c所示，激发的spp可以向各个方向传播。通常这种金属表面颗粒阵 列激发的spp并不是用于传播，而实现电场强度的增强，如sers等。这种无需特 殊结构的激发表明在该情况下spp的激发并不是一种谐振效应，而是一种不确定 的激发状态，所以该方法的激发效率很低18。另外， 还可以由近场snom激发16，其探针尖端可以看成一个spp源，当探针离金属表 面足够近时，一般100nm以下，探针尖端处的电场与金属自由电子强烈的相互作 用，可以激发金属表面spp。 以上介绍了几种spp的激发方式，表明spp的激发必须要满足波失匹配条 件。对于表面很平整的金属，spp激发需要专门的波失补偿结构，激发效率可以 达到很高，而对于粗糙的金属表面，自身的散射结构可以提供波失补偿机制而不 需要额外补偿结构，由于这种散射的无规则性，激发效率不高。由于spp的紧 束缚特性和衰减特性，如何有效的探测也就成为实验上研究spp特性的关键。 1.2.2 spp 的探测 与光波相比，spp具有很独特的性质，对这些性质的实验研究需要有效的探测手 段。spp的探测方式可以分为两类：近场探测和远场探测。近场探测一般是基于 snom等精密设备直接对spp的电场进行测量2021；远场探测则是测量spp的远 场泄漏辐射。近场探测如图1-5 a所示，snom探针与金属表面相距约几十nm， 当金属扫描探针遇到传播的spp时，可以感知电场强度，通过探针在水平和垂直 方向上的移动，能够直接的测量出spp电场在水平方向和垂直方向上的强度分 布。这种近场方式可以很直接的研究spp的特性，但是操作复杂，稳定性不好， 不适合大范围的扫描，适合局域探测。远场方式相比之下则比较灵活，尽管不能 用于垂直方向上spp的研究。 图1-5b是利用颗粒的散射机制使spp 重新转换成远 场光辐射，可以很好的研究spp在金属表面传输特性，而对激发光出射的测量可 以说明spp是否激发及激发的光谱特性和激发强度等， 但不能研究spp传输效应； 图1-5c是通过场致荧光效应将spp转换成光辐射，从而表明spp的存在；图1-5d 8 第一章 引言 中spp沿金属线传输，并在金属线端面散射成光辐射，辐射根据端面的形状具有 特定的方向，而对波导的探测可以很好的研究spp激发的光谱特性。还有其它的 spp探测方式，如基于spp的泄漏辐射显微镜等22。以上这些探测手段使我们可 以在实验上充分的研究spp的应用特性。 图图 1-5 spp 探测。a snom 探针直接探测 spp 电场，b 利用表面缺陷散射使 spp 转换成 光辐射或探测激发光，c 利用场致荧光效应将 spp 转换成光辐射，d 利用金属线端面 散射使 spp 转换成光辐射或直接测量光波导出射光。 通过对spp的激发方式和探测方式的介绍知，不同的激发和探测方式适合 于不同的研究目的。本文中，我们主要是研究spp在纳米光波导和纳米光学器 件上的应用，所以，spp的散射激发和光波导耦合激发比较适合，而对于探测方 式，端面散射则是非常好的选择。 1.3 spp 波导 一维光波和一维光波导的概念由junichi takahara等人在1997年提出23，一 维光波可以理解为光束在垂直于传播的二维方向上受到压缩而使其直径被限制 在衍射极限以下；而能够传播一维光波的波导则可以称为一维光波导。可见，一 维光波和一维光波导都是亚波长下的概念，由1.1节知能够在此尺度下传播的是 spp，波导不再是介质光波波导，而是金、银等金属波导。 9 第一章 引言 图图 1-6 规则排列的纳米颗粒链。 a单颗粒平均大小： 10010040， 激发波长 633nm， (a)实验结果，(b)模拟结果 3 nm 7；b纳米颗粒链夹角 60 ，平均直径约 50nm24。 前面理论分析了无限大金属平面上spp的特性，知spp仅在z方向上是高度局域 的，而在y方向上是不受限的，因此，必须通过金属结构来实现spp的二维约束。 空间上规则排列的纳米颗粒阵列已在实验上用于spp的传输724， 如图1-6所示， 波导的尺寸远小于激发光波长，实现了spp在纳米波导上的传输。这种依靠spp 在纳米颗粒间的共振传输现象虽然在实验上已经实现， 但是实验的观测结果同理 论预期一样：损耗过大，约3db每100nm25。沟道spp(cpps: channel plasmon polaritons)可以将电磁波紧束缚在衍射极限以下的空间内，还具有较小的损耗， 能够传播较远的距离，在理论上和实验上有很多研究26 31，如图 1-7所示，实验 上已经观测到的传播距离可以达几百m； 过结构的设计， 能够实现单模工作， 并可以做成具有各种功能的结构，如环形腔，y分束器等，但v形槽是在金属膜 上刻蚀的，需要使用离子束刻蚀(ibl: 通 ion beam lithography)或电子束刻蚀(ebl: electron beam lithography)等复杂的刻蚀技术。在金属膜上覆盖一层电介质并在其 上面刻蚀出波导形状，该结构可用来传导spp32 36，称为介质覆盖的spp波导， 如图1-8所示，分别实现了spp在直波导、弯曲波导的传输及基于spp介质波导 的y形分束器；通过对介质层的宽度和高度的调节，可以实现单模传输，并且拥 有很小的传输损耗和可观的弯曲透过率。当上述的金属膜和电介质互换后，便在 介质基底上形成了金属spp波导，在理论上和实验上有很多研究37 40，如图 1-9 所示，在介质基底上蒸镀一层金属膜，然后刻蚀出金属纳米线，轮廓为矩形或圆 柱形，调节金属纳米线的纵横比，可以控制在其中传播的模式，如图1-9 a所示， 当矩形纳米线的宽度大于高度时，只有tm模式而没有te模，当二者接近时，波 导中既可以传播tm模， 也可以传播te模； 而图b说明spp在弯曲金属波导上可以 很好的传输，同时也表明金属波导可以用作s形波导、y形分束器等。通过蒸镀 或刻蚀的金属纳米线都是多晶结果， 表面不平整， 用来传导spp会有较大的损耗， 10 第一章 引言 而通过化学方法合成的金属纳米线银纳米线， 具有良好的单晶结构和平滑均匀 的表面，对spp的散射损耗可以忽略，其粗细和长度可以得到很好的控制，直径 可以从几十nm几百nm不等，长度从几m近百m，用作spp波导具有较小 的损耗，且制备廉价方便，适合大规模的生产。银纳米线波导的特性及基于银纳 米线实现一定功能的结构是本论文研究的重点。 图图 1-7 spp波导：金属v形槽。a: 基于v形槽的y分束器和mach-zehnder干涉仪。金膜 厚 1.8m， 形槽顶角宽 25，深度d约.1mv1 3m1.，构电镜图和spp传播如e 和f所示 结 30；b: 基于spp波导环形共振腔的波分复用器(wrr-adm)和布拉格光栅滤波 器(bgf)，金膜厚 1.9m，三角形v形槽顶角约 25，槽深约 1.3m 31。 spp沿v形 金属槽的传输，v形槽(a)宽 0.5m c: ，深约 0.9m，角约 16，v形槽(b)宽 0.6顶m， 深约 1m，顶角约 25，spp传播长度约达 100m 29。 11 第一章 引言 图图 1-8 介质覆盖的spp波导。a : spp在弯曲介质波导上的传输，曲率分别为：10m、 12m、15m和 20m，其中，金膜厚 50nm，二氧化硅介质厚 60nm，宽 700nm34； b: 基于介质的spp弯曲波导和y形分束器， spp在s形弯曲和y形分束器上的传输近场图 如图所示，金膜厚 60nm，二氧化硅介质层厚 550nm，宽 500nm35；c: 介质波导spp的 泄漏辐射，金膜厚 50nm，二氧化硅层厚 40nm，刻蚀后形状分别为圆形和三角形32； d: spp在金膜上宽 2m、60nm的二氧化硅条纹上的传输，其中，金膜厚 50nm厚 33。 图图 1-9 spp 金属波导。 a: 不同宽高比时金属纳米线出射情况。 金属纳米线波导长 2mm， 厚度 150nm，宽高比如图所示；b: 弯曲金属纳米线，纳米线直径约 70nm. 12 第一章 引言 1.4 本论文的主要研究内容 本论文工作的重点是银纳米线的波导特性和基于银纳米线的结构特性， 主要 研究内容包括：银纳米线spp的激发特性、传输和损耗特性、基于银纳米线和 zno光波导结构的功能特性。研究工作共分为五章： 第一章 介绍了spp的基本电磁理论、 基本特性、 激发和探测方式及基于spp 的金属波导和器件的相关研究情况。 第二章 实验研究银纳米线spp的光学激发特性，主要包括不同银纳米线结 构在spp激发过程中的作用和spp的激发效率与入射光场的关系。 第三章 通过搭建spp路由传输结构， 在同一根银纳米线上改变spp的传播 距离，测量玻璃衬底上银纳米线的传输损耗系数；将银纳米线弯曲成不同曲率的 波导，采用光学远场激发和探测的方式，通过弯曲银纳米线与直银纳米线端面出 射强度的比值将弯曲损耗与传输损耗分离， 定量研究弯曲损耗与曲率半径的依赖 关系； 基于传输损耗和弯曲损耗的研究结果， 分析银纳米线环形腔和s形银纳米 线互联的损耗特性。 第四章 研究基于银纳米线和zno光波导结构的功能特性。 基于银纳米线的 22端口分束器可以实现spp以任意分束比传输；s形银纳米线可以做为波导 互联，研究了其透过率与横向偏移距离的关系；银纳米线spp可以通过zno光 波导激发，并且通过银纳米线可以实现衍射极限下光波在zno光波导间的传输。 第五章 总结与展望。 13 第一章 引言 参考文献 参考文献 1 g. e. moore 1975. progress in digital integrated electronicsj. electron devices meeting, 21: 11-13. 2 guoqing chen, hui chen, et al. 2005. electrical and optical on-chip interconnects in scaled microprocessorsj. circuits 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