（微电子学与固体电子学专业论文）表面等离子波波导的基础研究.pdf

浙江人学硕1 1 学位论文摘要 摘要 近些年来，传统介质集成光学器件由于衍射极限的限制，在小型化、集成 化方面遇到瓶颈，而表面等离子波可以把能量高度限制在金属介质分界面处。因 此，人们开始关注表面等离子波及其器件，希望能够在微纳米级的器件和光回路 中得到广泛应用。 本文从麦克斯韦方程组出发，先介绍了表面等离子波的基本概念，讨论了 表面等离子波的存在条件及表面等离子波解的形式，指出表面等离子波的实质是 束缚电荷密度波，是光波在金属表面激发引起的电荷密度涨落，产生集体振荡辐 射出的电磁辐射模。表面等离子波的损耗来自于光子与金属中等离激元相互作用 形成的欧姆损耗，当光子频率与金属中的等离子体频率相匹配时，发生等离子共 振，此时光子与等离激元能量交换最大，损耗也最大。本文分析了当介质为增益 材料时等离子表面波的损耗问题，尽管根据现有的增益介质参数无法完全补偿金 属损耗，但是可以使损耗问题得到一定程度的缓解。 本文分析比较了两种对称三层波导结构的基本模式和特性，金属一介质一金 属( m i m ) 结构和介质一金属一介质( i m i ) 结构，前者具有很好的限制性，但同时带 来损耗的增加。基于这二种结构并结合介质光波导的特性，本文提出了一种高限 制性的槽形结构，分析表明该结构在二维尺度上都具有较好的限制性，当芯区横 截面尺寸为2 0 0 n m x8 0 0 n m ，能量限制因子高达9 8 5 。横向模式尺寸近似等于芯 区宽度。 另外，将金属颗粒阵列作为表面等离子波的载体，本文分析了单列金属颗粒 阵列、双列金属颗粒阵列，阐述了表面等离子波限制性、损耗和场增强效应三者 之间具有同向变化的联系。提出采用交错金属颗粒阵列构成的具有纳米尺寸的超 短1 2 ( 4 0 0 n m 2 5o h m ) 、1 3 ( 5 0 0 n m x3 5 0 h m ) 分束器。 关键词：集成光学，表面等离子波，高限制，槽形结构，金属颗粒阵列， 超短分柬器 浙江人学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s t h et t a d iti o n a1m e d i u mi n t e g r a t e do p ti cc o m p o n e n t s h a v eh o t t l e n e c ki nm i n i a t u r i z a t i o na n di n t e g r a t i o nb e c a u s eo ft h e1 i m i t o ft h ed i f f r a c ti o n t h es u r f a c ep 1 a s l l l o nc o u l dh i g h l yc o n f i n et h ee n e r g y a tt h es u r f a c eb e t w e e no ft h em e t a la n dd i e l e c t r i c i t st h ef o c u so f t h er e s e a r c ha n dh o p e dt ob eu s e di nn a n o m e t e rc o m p o n e n t sa n dc i r c h it s t h i sd is s e t t a t i o ns t a r sf r o mt h em a x w e l le q u a t i o i l s ，i n t r o d u c e st h e b a s i cc o n c e p t so ft h es u r f a c ep l a s m o n ，d is c u s s e $ t h ee x is t i n gc o n d i t i o n a n dt h ee x p r e s s i o no ft h es u r f a c ep l a s m o n ，p o i n t st h a tt h ee s s e n t i a lo f t h es u r f a c ep l a s m o ni st h eb o u n dc h a r g ed e n s i t yw a v e ，t h ed e n s i t yo fc h a r g e a tt h es u r f a c eo ft h em e t a lf l u c t u a t e s t h ec h a r g e ss u r g et o g e t h e ra n d t a d i a t ee l e c t r o m a g n e t is i l l a 1s oa r i a l y z e st h e1 0 s so ft h es u r f a c ep l a s m o n i st h eo h ml o s sc a u s e db yt h ei n t e r a c ti o nb e t w e e nt h ep h o t o na n dt h e p l a s m o n w h e nt h ef r e q u e n c yo fp h o t o nisi l i at c h i n gt h ef r e q u e n c yo fp l a s m o n ， t h es u r f a c ep l a s m o nr e s o l l & n c eh a p p e n s ，a n dt h el o s sr e a c h e st h em a xi m u m i ft h e r eisag a i nd i e l e c t r i c ，d e s p it ec o u l d n tc o m p l e t e l yc o m p e n s a t e t h el o s sc a u s e db yt h em e t a1 ，itc a l lw e a k e nt h el o s s t h isd i $ s e r t a t i o na r i a l y z e st h eh a s i cm o d e sa n dc h a r a c t e r is t i c so ft h e t w ot y p e so f t h r e e l a y e rs y m m e t r i c a lw a v e g u i d e s t r u c t u r e $ i l l e t a 卜d i e l e c t r i c - m e t a l ( m i m ) a n dd i e l e c t r i c - m e t a l - d i e l e c t r i c ( i m i ) ， a n da 1s oc o m p a r e st h et w os t r u e t u r e s t h ef o r m e rs t r u c t t i r eh a sb e t t e r c o n f i n e m e n t b u t h a y i n g b i g g e r 1 0 s ss i m u l t a n e i t y b a s e do nt h e c h a r a c t e r is t i c so ft h et w os tr t l c t u r e sa n d t h ed i e l e c tr i cw a v e g u i d e ， p r o p o s e sah i g h l yc o n f i n e dc h a n n e lst r u c t u r e t h iss t r u c t u r eh a sh i g h c o n f i l l e m e n ti nt w od i m e n s i o n s w h e nt h ec r o sss e e t i o no ft h ec o r eis 2 0 0 n m 8 0 0 n m ，t h ec o n f i n e m e n tf a c t o risa sh i g ha s9 8 5 ，t h e1 a t e r a l m o d esiz eisa p p r o xi m a t ew it ht h ewid t ho ft h ec o r e 浙江人学顾l ：学位论文 摘要 i na d d itio n ，t h isd is s e r t a ti o np o i n tst h em e t a lp a r ticl ea r r a y s tr u g t u r ea ls oc o u l db et h ec a r r i e ro ft h es u r f a c ep l a s m o n ，a n a l y z e st h e si n 9 1 er o wa r r a ya n dt w o r o wa r r a y ，a n dp o i n tst h ec o n t a c tb e t w e e nt h e c o n f i n e m e n t 、l o s sa n dt h ef i e l de n h a n c e de f f e c t p r o p o s e st h ei n t e r l a c e d m e t a lp a r ti c l ea r r a y sa st h e1 2 ( 4 0 0 n mx2 5 0 n m ) 、1x3 ( 5 0 0 n t o 3 5 0 n m ) s p li t t e ri nn a n o m e t e rs i z e k e y w o r d s ：i n t e g r a t e do p ti c s ，s u r f a c ep l a s m o n ，h i g hc o n f i n e m e n t ， c h a n n e ls t r u c t u r e ，m e t a lp a r ti c l ea r r a y ，u lt r a s h o r ts p lit t e r i v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘鲎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字n 期：年月 同签字日期：年月 日 浙江人学硕l ：学位论义致谢 致谢 光阴似箭，两年的研究生生活即将结束。回首在浙大度过的两年求学生涯， 自己得到了太多人的帮助与关怀，对那些引导我、帮助我、激励我的人，我心中 充满了感激。 首先感谢我的导师江晓清教授，在我攻读硕士研究生期间，深深受益于江老 师的关心、爱护和谆谆教导。论文定题到写作定稿，倾注了江老师大量的心血。 江老师思维活跃，知识渊博，为我指点迷津，帮我开拓研究思路；江老师对工作 一丝不苟，严谨求实，凡事事必躬亲，对我所写的每篇文章都仔细审查，不厌其 烦，反复修改；江老师生活中平易近人，和蔼可亲，不仅授我以文，而且教我做 人。在此谨向江老师表示我最诚挚的敬意和感谢! 感谢王明华教授，王老师的学者风范和开阔的视野给我留下了深刻的印象， 此外，他在日常生活中对学生无微不至的照顾更使我倍感温暖。感谢杨建义教授， 杨老师学术渊博而治学严谨，工作中作风严肃，生活中幽默亲切。感谢郝寅雷副 教授、李锡华副教授、周强副教授、张国荣老师、朱月莲老师等在我学习与生活 上的照顾。 感谢余辉博士、戚伟博士、周海峰博士、刘仕景硕士、赵佳特硕士在课题理 论和实验上的指导和帮助。感谢李宇波博士后、周剑英博士后、王帆博士、肖司 淼博士、祁彪博士、郑伟伟博士、赵勇博士、葛陆泉硕士、王嘉明硕士、毛小丹 硕士、余小燕硕士、蒋烽硕士、贾文建硕士、王皖君硕士、王翔硕士、陈伟伟硕 士、李陈刚硕士等在我学习和生活上提供的帮助。感谢你们陪我度过了人生中一 段重要而快乐的时光。 感谢我的室友付文、金佳军与6 舍2 3 2 室的张伟东、孙国鑫，是你们让我在 浙大的同子罩充满笑声! 感谢一直支持、关心、鼓励我的人，是你们让我峰强、 快乐的走到今天! 感谢幽家e 然科学基金委对本工作的资助( n o6 0 4 3 6 0 2 0 ) 。 最后，曼特别感谢我的父母和女朋友，他们直无私地支持我止到今天。 浙江大学顺 j 学位论文绪论 1 绪论 1 1 引言 1 1 1 集成光学 电子器件的集成化，在二十世纪为信息和自动化技术的发展提供了坚实的基 础和无限的动力。无庸置疑，光子和光电子器件的集成化将会在新世纪中成为一 颗光彩夺目的技术明珠n 1 。 假借集成电路的概念，1 9 6 9 年美国贝尔实验室的s e m i1l e r 首先提出了集 成光学的概念。1 9 7 2 年，s o m e k hs 和y a r i r ea 提出了在同一半导体衬底上同 时集成光器件和电子器件的构想。从那时到现在，集成光学在理论与应用方面都 得到了长足的发展。现在的集成光学已经不再是当初把几个光学元器件集成在一 起的简单概念，而是一个集光学、激光、微电子学、光电子学、通讯、薄膜技 术等为一体的独立的学科。许多光子器件需要电路的驱动和控制，因而发展了光 器件和电子器件的集成。这已成为光集成发展的一个重要方向，称为光电子集成 回路( o e i c ) 。目前集成光学概念涵盖广泛的内容，从集成方式上划分，可分为光 子集成( p i e ) 和光电集成( o e i c ) 旺1 2 1 世纪，信息产业将是信息经济时代的支柱产业。如果说微电子技术推动了 计算机、因特网、光纤通信为代表的信息技术的高速发展，改变了人们的生活方 式，使得知识经济初见端倪，信息时代已见雏形。那么随着信息技术的发展，大 容量光纤通信网络的建设，光电子技术将起到越来越重要的作用。美国商务部 指出：“9 0 年代，全世界的光子产业以比微电子产业高得多的速度发展，谁在 光电子产业方面取得主动权，谁就将在2 1 世纪的尖端科技较量中夺魁”。日本 呼声月刊也有类似的评论：“2 1 世纪具有代表意义的主导产业，第一是光 电子产业，第二是信息通信产业，第三是健康和福利产业”。可以断言，光电 子技术将继微电子技术之后再次推动人类科学技术的革命。光电子产业是2 1 世 纪潜力巨大的产业，未来信息产业的竞争焦点将从微电子产业转向光电子信息产 业1 3 - 5 j 。 1 浙江大学硕l j 学位论文 绪论 当今信息系统的显著特征是信息的采集、存取、处理和应用的高速化，宽带 化以及大容量化。在这样的信息系统中，关键器件是光电子器件。光电子器件的 发展趋势可用两个方面概括：一方面是继续通过能带工程使各种新型的人构改性 半导体材料如异质结构、量子阱、量子线、量子点和超晶格材料等可望实现， 并用以研制高性能的器件。另一方面，也更为关键的是要像微电子一样实现集成 化。目前，将功能不同的若干光电子器件通过内部光波导互连优化集成在一个芯 片上的光子集成芯片( p i c ) 正在迅速发展。下一步将是研制光子集成芯片和微电 子集成芯片的共融体，即光电子集成芯片( o e l c ) ，这将突破分立器件的功能局限， 使芯片的功能提高、功耗降低和可靠性改善。 1 1 2 纳米光电子学 人类社会进入2 0 世纪8 0 年代以来，科学技术更加突飞猛进、日新月异，纳 米技术在被视为“发明之母”和“产业粮食”的新材料领域异军突起、异常活跃， 并在9 0 年代出现了遍及全球的纳米技术研究热潮。纳米技术是研究结构在0 1 1o o n m 范围内材料的性质及其应用从此，科学家开始了材料的微观结构设计， 在显微构造层次，原子分子层次及电子层次开展新材料的研究与开发，“材料革 命”进入一个新时期。 在微电子领域，有著名的摩尔定律，集成电路芯片上所集成的电路的数目， 每隔1 8 个月就翻一番，集成电路芯片不停地在缩小尺寸，目前f e t 门的尺寸长 度在实验室已经达到几十纳米的尺度。相应地，在集成光学领域，小型化，集成 化，高速化一直是这门学科的发展目标与动力。随着科技的飞速发展，制造业精 度的日益提高，集成光学取得了飞速发展。集成光学器件尺寸越来越小，现在 已经达到了通信波长量级。随着波导尺寸的减少，传统波导遇到了衍射极限的 瓶颈。我们知道，根据波粒二象性，当尺寸减小到跟波长相当的量级时，光会出 现衍射现象，利用传统光波导制作的集成光学器件，其传输损耗会很大，因为电 磁场能量会随着传播长度的增加而急剧的减小。当纳米技术热潮掀起时，纳米光 电子学作为集成光学学科的一个分支开始出现萌芽，人们不停地努力寻找突破衍 射瓶颈的途径，象高折射率对比线，光子晶体等概念的提出 6 - s j 。 2 浙江人学硕l j 学位论文绪论 光电子技术正向光电子集成并进一步向纳米光电子集成方向发展。纳米光电 子学是在纳米半导体材料的基础上发展起来的，是集成光学发展的方向。纳米光 电子学是研究纳米结构中电子与光子的相互作用及其器件的一门高技术学科，是 光学、光电子学、纳米光学与纳米电子学相结合开拓出了一门崭新的学科。纳米 光电子学将成为纳米光通信技术发展的重点。 目前，在光电子集成芯片方面遇到了一些挑战。光子与电子的集成碰到了一 些问题。到底是什么东西限制了光子和电子回路集成一体呢? 这一瓶颈是它们二 者之间的相对尺寸差别太悬殊了，根本无法兼容。目前制作l o o n m l j j , 下尺寸的电 子电路已不成问题了，但是，光子回路尺寸都还在1 0 0 0 n m 量级，二者无法联姻。 当光子元件的尺寸减小到与光波长可以比拟时，由于受到传播衍射极限限制，光 的传播将受阻，无法通行。近年来，即使引进光子晶体元件也只是杯水车薪，只 能够使问题得到某些缓解。即便如此，光子晶体的本身尺寸还是波长数量级，典 型的结构周期为半波长量级似1 。 1 1 3 表面等离子体光子学( p l a s m o n i c s ) 表面等离子波( s u r f a c ep l a s m o n ) 的研究已有长达1o o 多年的历史了，由于受 早期制作电子元件的工艺水平的限制，加工不了微米、纳米尺寸的元件和回路， 所以表面等离子波显露不出它的特性，不为人们所关注。随着工艺技术的长足进 步，现今制作特征尺寸为微纳米级的电子元件和回路，已不成问题了，人们才重 新点燃起研究表面等离子波的热情。只有当结构尺寸可以与表面等离子波传播距 离相比拟时，表面等离子波特性和效应才会显露出来。 纳米技术概念提出之后，纳米金属线首先制作成功，并显示出一些独特的电 学、光学性质。科学家们发现，在一定的条件下( 比如纳米尺度级别的材料) ， 经过金属表面的光波会引发金属表面原子( 或游离的原子) 的谐振，换言之，光 载的信号可以通过这样的方式直接传递给金属，从而有望突破光纤本身固有的 弱点。早在经典物理学的时代，科学家们就注意到了金属介质的光学现象，也给 出了很好的解释，但都是宏观的非量子化的，没能把这种现象和等离子体现象联 系到一起。科学家在纳米技术概念的启发下，开始从微观层面研究这种金属表面 浙江人学硕i ：学位论文 绪论 的光学现象，并认为这就是等离激子现象。所谓“等离激子”，实际就是等离子 体量子化后的称谓，和光波量子化后叫光子，声波量子化后叫声子是同样的道理。 于是，表面等离子波进入了人们的关注视野，越来越受到人们的关注，它可以把 光限制在纳米尺寸。其高度限制性使人们看到了希望，把它当作解决未来光电集 成技术小型化、高速化、集成化的一个途径。 表面等离子波的发现，给人们提供了一个思路，其高限制性让人们看到了突 破衍射极限的曙光。人们开始研究各种方法来利用表面等离子波来实现亚波长器 件。最近，表面等离子波波导成为了人们研究的热点。 表面等离子体光子学( p l a s m o n i c s ) 已成为一门新兴的学科随1 ，它的原理、新 颖效应以及机制的探究，都极大地吸引研究者们的兴趣。表面等离子波具有广阔 的应用前景，例如，应用于制作各种表面等离子波元器件和回路，制作纳米波导、 表面等离子体光子芯片、耦合器、调制器和开关，应用于亚波长光学数据存储、 新型光源、突破衍射极限的超分辨成像、表面等离子波纳米光刻蚀术、以及生物 光学( 作为传感器和探测器) 。 表面等离子波的本质是光到达金属表面，与金属内由自由电子构成的等离激 元发生相互作用，从而光被捕获在金属表面，此时，作为横波的光已经演变成表 面等离子波模式它存在于介电常数符号相反的媒质界面处，且只能是t m 波。 金属在光波波段，根据d r u d e 模型，介电常数一般是负数，从而在金属与介质的 界面存在表面等离子波。电场在界面处达到最大值，向两边媒质呈指数衰减。一 般渗透到介质中一1 0 0 n m ，而在金属中一1 0 h m 。金属的介电常数在光波波段是复 数，其虚部代表金属吸收光的能力，一般光在金属中的损耗非常大，如何让损耗 减少到可以接受的地步，成为表面等离子波发展的关键d ”1 。表面等离子波是慢 波，跟在常规介质的波相比，具有较大的相速度，更短的波长，更高的动量，更 高的波阻抗，这是其能够实现纳米集成光路的内在基本原理。当然，这种优势不 是没有限制，而是以损耗为代价的。在表面等离子波结构中，限制性与损耗是一 对永恒的矛盾。限制性越强，必然引起较强的损耗；相反地，较大的模斑尺寸可 以减小损耗。所以，如何在限制性与损耗之间找到一个很好的平衡点，是表面等 离子波结构需要重点考虑的问题n 。 4 浙江人学顺i ：学位论义 绪论 1 2 研究现状 基于表面等离子波光子器件也许会带来突破衍射极限这一瓶颈的新曙光和 机遇，从而走出困境。表面等离子波的电磁场限制于金属介质界面上，一群电子 被集体激发，沿着表面作前后震荡式运动，表面等离子波电磁场在垂直表面方向 上，以指数形式衰减，穿透进金属多深，取决于趋肤深度，大约为1 0 n m ，比入射 光波长要小2 个数量级。因此表面等离子波这一特性提供了在亚波长尺寸金属结 构中光场局域化和导波的可能性，可应用于构筑亚波长尺寸的光子元件和回路一 等离子体光子芯片，表面等离子波波导用于引导电磁波传播，表面等离子波回路 可塑成各种几何形态。 1 2 1 一维亚波长结构 自从2 0 0 0 年，p i e r r eb e r i n i 发现嵌入式 二 有限宽度金属薄膜存在长程表面等离子波 ， 以来，人们不断研究各种结构来利用表1 幸旨三三三召x 面等离子波，加强它的高限制，降低它的图1 1 嵌入式有限宽度金属薄膜横截面 损耗。对于嵌入式有限宽度金属薄膜结 i i 一 构，如图1 - 1 ，前人已经做了大量的理论研 究与实验验证。利用表面等离子波之间的 。 j 。 浙江大学硕卜学位论文 绪论 宽度w 和截止高度t 。所以设计合适的几何尺寸参数，使得该结构只存在对模 式，即单模条件传输，从而使得损耗减少到合理可以接受的地步。s s ；是长程表 面等离子波，是我们主要利用的模式，黜：模式毋分量如图卜3 所示。金属一介 质的界面存在表面等离子波，邻近两个表面等离子波会发生祸合。对于有限宽度 金属薄膜，由于t 很小，上下两个金属一介质表面激励起的表面等离子波会发生 耦合，所以在四个金属介质形成的直角边角处会形成独特的边角模式，从而出现 一些新的特性，如图1 - 4 。表面等离子波存在一个内在的永恒矛盾，即限制性与 损耗。表面等离子波的最大特点是其高限制性，但这是以损耗为代价的，任何一 个可以增加表面等离子波限制性的参数改变必然导致其损耗的增加，如减少w ， 表面等离子波的限制性得到增强，但其损耗增大了。所以，在设计时，要在限制 性与损耗之间有个综合考虑n 孙。 p 一 甥 l 翊 一一一捌 图卜3 对模式易分布图 图卜4 祸合边角模式分布 应用嵌入式有限宽度金属薄膜可制成表面等离子波波导。当人射光波长为 1 5 5 “m 时，已报道表面等离子波的传播距离可达到13 6 m m ，而在薄膜的垂直方 向上局域场扩展到几个微米。要实现亚波长级的场局域化，可以通过减小薄膜的 宽度，例如要求线的横向尺寸远小于光波长，可制2 0 0 n m 宽，5 0 n t o 厚的金纳米线。 在8 0 0 n m 光的局域激发下，应用亚波长分辨率光子扫描隧道显微镜观察到近场直 接像，显示光沿着纳米金属线传播可达几个微米。纳米线波导由于电阻引起的热 损耗限制了传播距离，为了避免这个欧姆损耗，可采用金属纳米颗粒的共振结构， 进行导波，由于体积的减小，从而降低欧姆损耗”1 。 6 蒺 ， ，迥 ，黪 ：一 兰，。、 搿；一、 浙江人学硕 二学位论文 绪论 已经有大量文献报道了利用上述结构的各种简单器件一2 ”。如直波导，s 弯 曲，y 分叉，定向耦合器，都有相关理论分析及实验数据报道，见图卜5 。由 b c b - a u - b c b 材料制作的嵌入式有限宽度金属薄膜直波导，金属薄膜厚度一般为 15 2 0 n m ， 其耦合损耗一0 5 d b ，传输损耗一6 - 8 d b c m “4 1 。 a 硇啕一 阿 b酬咖 ，k 喇，- j u n c l i o n 翎印蛔 图1 - 5 各种嵌入式有限宽度金属薄膜结构器件。a 结构示意图，b 光斑。 嵌入式有限宽度金属薄膜在被发现可以成为表面等离子波的载体之后，引起 了广泛的注意。人们开始研究基于该结构的各种器件，基于上述结构制作的热光 可变衰减器，如图卜6 | 2 引。长程表面等离子波船：强烈地依赖于周围介质折射率 的匹配性，即周围折射率要高度接近相等，当折射率上下覆盖层的介质折射率相 7 浙江大学硕1 j 学位论文绪论 差达到0 0 0 1 量级，船：模式就会截止。该结构利用嵌入式有限宽度金属薄膜结 构的峨。模式对周围介质折射率高度敏感的特点。在室温时，聚合物的折射率跟 & d 2 匹配，结构高度对称，这时该结构可以传输长程表面等离子波。当对金属薄 膜注入电流，这时会产生欧姆热量，聚合物的折射率发生改变，导致结构不对称， 从而对模式截止，达到衰减器的目的。 啪尚l 5 1 啪肿 啪h i 洲1 唧肿 一t ， s i 0 2 f1 5 i 勰： 8 i l i 咖 鲫舯 ( b ) 图i - 6 热光可变衰减器结构示意图。a 整体结构，b 横截面参数。 图i - 7 是基于长程表面等离子波原理的热光m a c h z e n d e r 干涉调制器n 7 1 ，该 结构调制方式是单臂调制，需要指出的由于热场是从电极注入到金属薄膜的，但 金属是导体，为了有效的有选择的进行热场注入，需要进行电隔绝，把金属薄膜 断开几个微米量级的缺口达到电隔绝，从而在需要调制的地方注入热场，进行选 择性调制。图1 - 7 b 是其动态特性 图1 - 7 热光m a t h z e n d e r 干涉调制器。a 结构示意图，b 动态输出。 也有文献报道表面等离子波的光栅结构的相关工作n 4 2 5 1 。 昏 浙江人学硕j ：学位论文绪论 e 当 图1 8 表面等离子波光栅结构a 横截面，b 三维图。 嵌入式有限宽度金属薄膜是一维的纳米材料结构，其光场限制性只体现在y 方向，薄膜厚度t - 15 n m ，但是其宽度w 为几个微米。对于集成，一般是对平面 内横向( x ) 方向具有更高的要求，只有在横向方向上具有高限制性，模斑尺寸小， 串扰才会小，才能大量集成。于是，人们除了继续研究、改进嵌入式有限宽度金 属薄膜结构外，期望能够找到嵌入式有限宽度金属薄膜结构的补偿结构，能够在 横向上有很强的限制性，能够做到高度集成。除此之外，嵌入式有限宽度金属薄 膜结构还有一个很明显的缺点，就是船：模式的存在强烈依赖于周围介质的对称 性，其对称性要求非常高，覆盖层与衬底介质折射率1 0 - 3 量级的差异就可以引起 该模式的截止。 1 2 2 二维亚波长结构 最近，成为热点的介质波导v o i d 结构很好的在小尺寸下限制光场乜n 盯，如图 卜9 所示，该结构只能存在t m 模式，且可以把光场限制在中间的低折射率介质 中。v o i d 结构的本质是由于物质的突变导致麦克斯韦方程边界条件的不连续， 又是在小尺寸下，两边边界处的场可以相互作用，从而得到奇特的限制能量于亚 波长尺寸低折射率物质的效果。 9 浙江大学硕i ：学位论文 绪论 纠k 1 ! ! u ! l 图卜9v o i d 结构。a 结构示意图，b 场分布 表面等离子波的激励是由于分界面两边煤质介电常数符号相反，其实也是边 界条件的突变。那么v o i d 结构表面等离子波波导中应该也有类似的结果。该结 构给表面等离子波结构带来了新的生命，把该结构移植到表面等离子波波导结构 中( 图1 - 1 0 ) ，得到一些新型波导结构n 9 3 舢，发现这些结构可以很好的克服嵌入式 有限宽度金属薄膜结构的缺点，并用这些结构设计了一些器件，该结构是二维纳 米材料结构，能够在横截面平面内限制光场在纳米尺寸，见图1 - 1 1 。 a b c 图1 - 10 各种v o i d 表面等离子波导结构，黄色代表金属，淡蓝绿色代表介质 图i - 1 1 表面等离子波导v o i d 结构玻印亭矢量分布 人们研究了各种v o i d 结构的基本特性，如色散关系、传播长度( 图1 - 1 2 ) 。 对于图1 10 b 的结构，当w ，t = 5 0 n m ，在波长为通信波长1 5 5 肛m ，传播长度 大约等于20um m l 。 1 0 ，斟ll 浙江人学硕卜学位论文 绪论 a b 图卜1 2v o i d 结构，w ，t = 5 0 n t o 。a 、色散关系，插入图是结构示意图，虚线是p e c ，上面 中间下面三条点虚线分别表示空气中、硅中、银薄膜中的最低频率模式；b 传播长度跟波长 的关系 由于表面等离子波是表面波，金属是 强吸收物质，场渗透到金属中的距离比较 小，一般为一1 0 n m ，所以其模式尺寸跟 v o i d 结构沟槽宽度w 比较接近，其模式尺 寸一般略大于沟槽宽度，见图i - i3 上述 结构都很好的把能量限制在沟槽区域中，且 解决了金属薄膜结构强烈依赖介质折射率 ，( 2 ，c e ) 图1 1 3 模式尺寸 对称的问题。对于各种变异v o i d 结构，目前主要还只是集中在研究其截面平面 模式，研究其各种特性。 三角契形表面等离子波波导结构，如图1 - 1 4 们，利用两个在金属一介质界 面激励的表面等离子波的相互作用，从而实现能量局域化，把能量限制在三角契 形的顶角部分，这就是表面等离子波耦合而成的边角模式。 浙江人学硕i ：学位论文 绪论 m e t a l l ， m e t a vv 图1 1 4 两种三角契形波导。a 、b 结构示意图，c 、d 分别是a 、b 的能量分布。 图1 1 5 是图1 - 1 4 b 对应的三角契形y 分叉结构，契形结构能够很好的作为 表面等离子波的载体，但是工艺相对复杂m 1 。 巴 i 兰2 。3 - 图1 1 5 三角契形y 分又结构。图a 是s e m 图像，b 是结构示意图，c 是s n o m 图像。 无论是v o i d 变异结构还是三角契形结构，都是利用两个或者多个邻近的金 属一介质界面激励的表面等离子波发生耦合，从而使得能量局域化。对于单个金 属一介质界面产生的表面等离子波，通过结构设计，也能够实现能量局域化，例 如新颖的金属薄膜上的介质脊波导，如图1 - 1 6 。由于表面等离子波是在界面处 达到最大值，向两边指数衰减的，而介质是无损耗物质，渗透到介质里的场分布 距离比较长，能量比重大，这样，大部分的能量限制在介质脊波导里”5 1 。 a di e l e c t r i c m e t a i 图1 - 16 金属薄膜上的介质脊结构。a 结构示意图，b 是能量分布图。 1 2 浙江大学硕士学位论文绪论 对于金属波导，还可以设计成金属异质结构，利用金属对光的不同吸收特性 来限制光场能量，如图卜17 ，该结构也较好的实现了亚波长尺寸的目标d 6 一”1 。 a d i e l e c t! i c 繁 a 卜 藿霪圈i 蔫魏 a i ；豢 口_i 露蒸 张0 糍辩 b 图1 - 1 7 金属异质结。a 结构图，b 场分布。 金属薄膜上的亚波长纳米尺寸针孔结构，见图1 - 1 8 ，利用四周金属一介质界 面处激励起来的表面等离子波发生相互耦合，形成边角模式，对于垂直金属平面 的入射而言，具有把金属表面能量转移到针孔内部的效果，从而达到把能量限制 在针孔结构里d 8 。3 9 1 。 纂 i 一 i 图1 - 1 8 金属薄膜上的针孔结构示意图 利用多模干涉效应设计小尺寸的功分器，见图1 - 1 9 ，在y 方向为金属一介质 一金属结构，中间介质层为对称结构，两边介质折射率大于中间介质折射率。芯 区宽度比较大时，可以存在多模，利用多模干涉效应设计功分器h 们。 3 a p b 图1 - 1 9 多模干涉效应的功分器。a 结构图，bf d t d 方法模拟的电场分量。 1 2 3 其他应用 表面等离子波具有场增强效应和对周围介质折射率敏感的特点，还被用来设 计成各种传感器，现在其研究范围已经逐渐渗透到化学、化工、材料、食品、环 1 3 浙江人学硕 ：学位论文 绪论 境、生物等研究领域。表面等离子体共振传感器具有实时检测反应动态过程，分 析样品不需要纯化、生物样品无需标记、灵敏度较高、无背景干扰等特点，是 非常理想的检测器件。 集成表面等离子波传感器芯片基本结构是在衬底介质上有波导层( 微米量 级) ，在波导中间部分覆上很薄的金属膜，作为传感区，被测物质放在金属膜上 面。外界光场耦合到光波导层以后以一定的导模形式在其中传播，这些导模形式 是由芯片的物理结构决定的。在波长满足一定条件的时候，特定波导模式引起的 反射消逝波将引起金属与被测物之间的表面等离子共振，形成表面等离子波，这 个表面等离子波与导模之间有能量耦合，由于表面等离子波的影响，波导输出光 谱会出现谐振谷，并可以用此计算被测物折射率h 。一种集成波导型等离子体共 振效应传感器芯片，见图1 - 2 0 h ”。 r e f 婚c t 沁ei n d e xo fa n a t y t e b 图卜2 0 波导型等离子体共振效应传感器a 结构示意图，b 输出功率与折射率关系 目前，表面等离子波研究主要集中在探究其特性，在寻找与其他当前热点结 合有什么样全新的显著特点。图卜2 1 是表面等离子波跟光子晶体的结合，红色 部分是光子晶体波导，上下绿色部分是金属薄膜h 3 4 4 1 。 5 要n0 5 505 1 堕型坌 图卜2 1 光子晶体结构的表面等离子波导。a 结构示意图，bf d t d 模拟的电场分布。 1 4 浙江人学硕士学位论文绪论 也有文献报道在磁光表面等离子波方面的 工作。从基本麦克斯韦额方程组出发，分析 金属一磁光介质界面的激励的表面等离子波 特性，简单分析三层波导的各种磁光特性，见 图卜2 2 4 5 。4 7 1 。 表面等离子波一个很重要的特点是其具有 场增强效应，从而在非线形领域有其独特的地 位，一个很重要的研究内容是表面r a m a n 散 射效应。表面增强r a m a n 散射是对频谱非常 敏感的，利用表面等离子波的场增强特性，可 以增强其效应利用表面金属颗粒阵列，如 图1 - 2 3 ，各个金属颗粒之间的表面等离子波相 互作用，形成共振，增强效应h 盯。 ， x 出 麓 r _ i 呻_ 一p o 每育罕嘭m 可 图1 - 2 2 磁光表面等离子没 利用微环结构，表面等离子波可以在在弯曲波导中传播，有理论证明微环结 构可以在太赫兹形成共振，图1 - 2 4 h 。 断l i 僦穗拍i 群誓糟 a 6 0 0 2 0 0 曼o n - 2 4 - t i g o i o 1 o o o4 0 0 x p m )bx p m ) 图卜2 4 表面等离子波微环结构。a 结构示意图，bf d t d 模拟磁场分布b 1f = 0 7 1 4 t h z ， b 2 厂= o 6 9 3 t h z 。 1 2 4 机遇与挑战 表面等离子体光子学提供了难得的新机遇。基于此学科的发展而有望研发出表 面等离子波芯片，用作超低损耗的光子互连元件。利用表面等离子波元件或回路， 可实现在超密光子功能器件中导波，亚波长尺度的纳米光刻蚀术，应用超透镜实 现突破衍射极限的高分辨光学成像，研发出优良性能的新型光源等等。为了实现 1 5 一3 n 揽 _ h “ 浙江人学硕i ：学位论文 绪论 这些目标，需要在这个崭新的学科领域中，开展更广泛深入地研究。在未来的岁 月里，将要面对着各种挑战。例如： ( 1 ) 制作出传播损耗可以与传统波导相比拟的光频波段亚波长尺寸的金属线 光回路。 ( 2 ) 研发高效率的表面等离子波有机和无机材料t 均l e d s ，具有辐射可调性。 ( 3 ) 通过对表面等离子波施加电光、全光和压电调制，以及利用增益机制， 实现自主控制 ( 4 ) 制作二维表面等离子波光学原型元件，例如，纳米透镜、纳米光栅、纳 米耦合器、纳米调制元件等，将光纤输出信号直接耦合到表面等离子波回 路中去 ( 5 ) 研发亚波长的表面等离子波纳米光刻蚀术。 ( 6 ) 深入探究表面等离子波中新效应的物理机制。 ( 7 ) 表面等离子波是表面波，其对于表面处的几何形状密切相关。由于表面 等离子波的应用前景在于亚波长尺寸器件，从而对金属一介质界面提出 了更高的要求。界面处的光滑程度对表面等离子波模式的形成有重大影 响。这对于金属薄膜的条件要求非常苛刻。 在以往几年中，已经演示性试制出各种基于表面等离子波的新型亚波长尺寸 的光子元件和回路。理论模拟设计和计算方面也都获得重要进展，尤其是核心技 术一一纳米光刻蚀术的研发，可望实现电子学和光子学元件，在纳米尺寸下完美 联姻，集成于同一芯片上。它将为新一代的光电技术开创崭新的平台，其前景做 任何遐想都不为过一1 。 1 3 表面等离子波的研究方法 随着表面等离子波理论研究的深入，人们采用了多种方法来研究表面等离子 波的光学性质。这些方法包括：线元法，有限元法，全矢量有限差分法，时域有 限差分法，本征模式展开法、有效折射率法，耦合偶极子方程法，并向量格林函 数法，全矢量频域有限差分法等等。本论文采用全矢量有限差分法横截面上的稳 定模式，时域有限差分法( f d t d ) 模拟传输情况。 1 6 浙江人学倾f ：学位论义绪论 时域有限差分法是在时域计算电磁场的数值计算方法，将m a x w e l l 方程组在 直角坐标系中展开成标量场分量的方程组，然后用二阶精度的数值差商代替微 商，将连续的空间和时间进行离散化，从而获得标量场分量的差分方程组。空间 离散步长的大小由数值色散关系和工作的光波长大小来确定，用该空间步长将光 子晶体沿坐标轴方向分成很多y e e 氏网格单元；求出每一个网格点的有效介电常 数；由空间步长和时间步长所满足的数值稳定性条件关系，得出响应的时间步长。 由于计算的区域有限，完美匹配层( p e r f e c tl ym a t c h e dl a y e r ) 边界条件用来吸 收边界场，通过在时域有限差分区域截断边界处设置一种特殊介质层，该层介质 的波阻抗- 9 相邻介质波阻抗完全匹配，因而入射波将无反射地穿过分界面而进入 吸收边界层。并且，由于边界层为有耗介质，进入其内的透射波将迅速衰减，即 使它的厚度是有限的，对于入射波仍有很好的吸收效果。 时域有限差分法是目前比较成熟、精确的研究电磁波的方法，特别在微纳尺 寸，时域有限差分法更是其主流的研究方法。 f d t d 的优势 1 、f d t d 的算法是非常严格的，具有得到任意高精度的潜力； 2 、可以处理各种非色散物质，包括金属，因而可以计算模拟表面等离子波； 3 ，时间轴上的模拟，一次模拟可以得到很宽的频率响应，采用脉冲激励源得 到其频率响应是f d t d 的长项； 4 、其简单的核心运算法则加上近乎独立的网格划分可以进行平行处理； f d t d 的劣势 - 3 然，不能如此轻松的得到如此多的好处。这些优势是以一定的劣势为代价 的： 1 、f d t d 只有在很细的网格划分下才能得到精确的结果； 2 、小的网格划分必然引起小的时间步长，根据c o u r a n t 稳定性条件； 3 、由于是有限元胞，所以其边界条件显得至关重要，非常苛刻； 4 、所有的网格格点都必须导入每一步时间步长，仅仅计算亚元胞是不够的； 考虑以上影响，用f d t d 方法精确模拟3 d 微纳光学器件需要很多的计算机内存 以及相当长的时间来运行。 1 7 浙江人学颀 = 学位论文绪论 目前数值计算碰到的困难是表面等离子波是一种表面波，它只存在于表面附 近。所以对于网格划分的方法来说，在等离子表面波存在的表面处需要划分比较 细的网格。如果网格划分太粗，一般会出现数值发散的问题，无法得到其正确的 电磁场分布情况。如果网格划分太细，这对于计算机又是一种挑战，因为网格太 多，计算机的内存要求就越多。所以需要在计算窗口和计算精度之间有一个比较 好的折中。 i 4 本文的研究内容 微电子行业有著名的摩尔定律，集成光学也希望有自己的摩尔定律，需要在 波导尺寸和集成度上加强研究，希望有质的突破。对表面等离子波导的研究正是 基于这样的一个背景展开的，该课题的展开可能为集成光学的集成化提供一种新 的思路。 目前表面等离子波的研究还处于热点，对