【毕业学位论文】（Word原稿）纳米尺寸双V型表面等离激元波导的导光特性研究-信息与电子工程

本 科 生 毕 业 论 文（设计） 题目 纳米尺寸双 V 型表面等离 激元 波导的导光特性研究 姓名与学号 * * 指导教师 * 年级与专业 09 级电子科学与技术或 09 级信息与通信工程 所在学院 信息与电子工程学系 摘 要 表面等离激元 是 在 金属 界面 存在的一种光子 能够突破传统的衍射极限将光限制在远远小于波长的范围内， 具有亚波长局域、 近场增强和新颖的色散特性，在纳米光子学中发挥着重要的角色。 本毕业设计集中在表面等离波导，主要目标是提高现有表面等离波导的传输距离和模场大小，内容分为三个层次展开：第一，研究目前已存在的各种表面等离波导性能；第二，在前面波导的基础上提出一种新型的 合楔形波导；第三，对提出波导的各个几何参数进行优化，以得到最优化的波导性能。通过参数优化，我们提出的新波导不但具有纳米级的模场 100且传输距离长达 100m。此波导的整体性能比目前 导提高了 3 个数量级。 关键词 ： 表面等离激元、复合楔形波 导 by of in by of a in of in In of by a of of up in 录 第一章 引言 .景 . 1 产生机理与应用 . 1 文的主要内容 . 2 第二章 本研究的基本原理和最新进展 .基本性质 . 4 合波导的仿真原理和方法 . 4 新的研究成果 . 5 结 . 6 第三章 复合波导的仿真分析 . V 型复合波导特性 . 8 V 型复合波导的建模仿真 . 9 V 型结构和双 V 型结构的对比分析 . 10 结 . 11 第四章 总结 .考文献 .谢 .1 第一章 引言 景 集成电路的发展一直遵循摩尔定律，即集成电路单位面积上的晶体管数目每隔 18 个月将翻一倍。然而随着电子器件集成化和集成速度不断提高，摩尔定律的发展遇到了瓶颈，电子线路的发热、噪声、串扰、及其纳米尺度带来的量子效应严重制约着电子器件的进一步集成化 。 这是由于电子作为信息的载体所固有的缺陷造成的。 用光子替代电子 作为信息的载体是一种理想的解决方案。光子传输不会像电子那样产生大量热量，而且光的 频率 很高，因而作为信息载体的带宽很大（ 1012。光子集成电路比传统的电子集成电路具有很多明显优势 ，包括 良好 信号屏蔽性、速度更快、发热更少、带宽更大、串扰更低等。 但是，用光子取代电子也存在很大的问题：光子器件受光学中衍射极限的限制，很难将光约束在小于波长的范围，因而通常光器件的尺寸比电子器件大得多 。 若要实现芯片级别的光子集成 ：一方面要求光学器件尺寸高度小型化，便于纳米应用和集成；另一方面要求能够在纳米尺度下控制光场，实现在纳米尺度内的聚焦、变换、耦合、折射、传 导和复用，以及实现高准直、超衍射的新型光源和各种纳米光子学器件1。表面等离激元（ 望解决这一问题。表面等离 激元是光与金属自由电子相互作用 ， 在金属 光子混合共振 模式， 沿金属表面传播。 产生机理与应用 电磁波在金属 /介质界面上激发出电荷密度振荡 ， 这种振荡与电磁波形成的混合波叫做表面等离子波 ，其能量量子称为表面等离 激元 5。 光波与可迁移的表面电荷 (例如金属中 的 自由电子 )之间相互作用产生的 一种光子 此其波数远远 大于同一频率下光子在真空中或周边介质中的波数。因此 ，通常情况下 ，这种 磁模 式 不能被激发 ，而是 从导体表面辐射出去。电磁场在垂直表面的两个方向上均以指数 形式 衰减。 例如： 在一个平坦金属 /介电界面 ， 着 其 表面传播 ， 由于金属中 存在 欧姆热效应 ，它们将很快 耗尽能量 ， 2 所以 这个界面上只能传播有限的距离（微米或纳米量级）。同时 限于金属与介质界面附近 ， 激发 的 电磁场能量 被 限制在纳米尺度 ，从而 形成增强近场。利用这种表面波对电磁能量在亚波长 尺度内的约束和局域特性 ，可以 突破衍射极限 ，实现远小于波长如纳米量级的光场限制 。利用表面等离 激元 技术 ，推动光子学研究进入纳米范畴，必将 对光学技术和光子技术产生革命性的影响。 产生机理 利用适当的边界条件对 程求解 ， 可得到 磁模的频率 与波 11220( ) ( )d m d m d (式（ 色散关系， 其中m是金属的介电常数；d是介质的介电常数。 应用 1. 光束准直 2. 光束聚焦 3. 导 文的主要内容 本课题将探索纳米尺度下表面等离子激元的特性，研究内容集中在各种复杂件的基础 导。 结合电磁 场电磁波 与光学理论， 系统 研究不同结构波导的导光特性和物理特性， 并 利用 有的性质设 计高效能的波导并进行仿真分析和优化，为该领域的应用积累理论依据。 在本课题中，我们创新性的提出了波导品质因子的概念用来衡量波导的整体性能。我们知道对于 导，其传播长度和模场面积是呈正相关关系的一对指标。从实际应用角度来说，我们希望得到的波导其传播长度越长、模场面积越 3 小越好。正是由于这两个量的制约关系，本文提出了波导品质因子这一衡量标准，用以衡量波导的综合性能。 具体而言，本课题研究内容有以下三方面的内容： 一、 总结前人关于 导的理论研究成果，分析概括 并 选取几个代表性的波导结构，尤其是对于参考文献 14-20所提及的 合结构波导进行建模分析，系统验证各类波导的导光特性和物理特性 ，提取其物理参数并和文献对比。 二、 V 型 金属楔 结构的波导 具有强烈的场限制效应，我们对于此类波导提取物理参数，进行系统的建模仿真 。 分析了 波导 几何结构的 改变对于其导光特性和物理特性的影响。 并且提出了此类波导的不足之处。 三、 受单 V 型结构的启发，本文提出一种双 V 型金属楔形复合波导。参照单 V 型的结构特征，我们选定了双 V 型波导的几何形态，并系统地对其建模仿真。 修改和调整波导结构的尺寸和几何结构 从而 得到不同结构参数与波导的物理特性之间的关系，为之后的进一步研究奠定基础。 最后，对比两种波导的各项物理指标 ， 对于两种波导的均衡性能做出了比较分析 。 围绕这三方面的内容，本毕设论文的章节安排如下： 第一章介绍 背景，尤其是 产生方法和实际应用情况。第二章详细介绍介绍了 导的基本性质以及模式分析的仿真原理，在第二章的最后一部分，我们对前人研究过的各种波导进行了仿真验证。第三章我们着重分析了 V 型金属楔结构波导，之后提出了双 V 型金属楔结构复合波导，并进行了系统的建模仿真分析。 4 第二章 本研究的 基本原理 和最新进展 基本性质 表面等离 激元 是传播于介质与金属界面上的 光子 在垂 直于界面的方向上呈指数衰减。外界光波照在金属和介质的交界面时，在靠近分界面的金属一侧，金属中的自由电子相对于金属中的正离子发生相对位移，产生 电子密度的重新分布，从而在金属表面产生电 荷振荡 ，如图 2.1(a)所示。表面等离激元的场强在金属与介质的界面处沿着垂直于界面的方向 呈指数衰减，而在界面的附近局域场强非常大，见图 2.1(b)。 图 2.1(a)表面等离 激元电荷与电磁场分布示意图 ； (b)金 属表面的场强分布， z 为垂直方向距离（下同）。 合波导的仿真原理和方法 本课题中，我们主要采用二维尺度下基于有限元法的模式分析法来研究 节首先解释模式分析法的基本原理，然后给出分析的具体流程和分析的各个参量。 模式分析法 的仿真原理 二维尺度下的模式分析法 的 原理 是 求解建立在波导横截面上 问题。 合波导的仿真方法 5 在 ，建立模型进行仿真按照如下 步骤 进行。 最新的研究成果 2008 年， 美国加州大学伯克利分校 张翔教授 提出了一 种复合 表面等离激元 波导 14，如图 示。 这种波导利用彼此靠近的介质波导和金属之间的约为几纳米的缝隙导光，其原理是两种波导缝隙之间会产生强烈的耦合作用， 这种耦合可以产生类似于电容的储存能量的效应，从而使得在非金属区域亚波长的信号传导成为了可能。这种结构下的 表面等离激元 光子可以传播很长的距离（ 40 150 m ），同时会产生很强烈的模场限制。这种方法完全符合现有的半导体加工工艺，这可以真正意义上的实现纳米尺度下基于半导体的光子制造 。 我们通过仿真得到这种波导的传输长度为 28m ，模场面积为 90 设置 导的几何尺寸，定义材料 划分网格 设定计算参数，这里主要是频率的设定 运行程序，求解本征值 分析结果，提取有效物理参数 新建 程，选择 6 图 介质纳米线和金属面构成的复合波导，传播长度可达几十微米 12 小结 本章回顾了 前人提出的各种类型的波导。 由介质纳米线和金属平面之间缝隙构成的复合波导其传输长度较大，达到几十微米；介质纳米线金属楔构成的对顶结构对于场增强效应有明显的提升； V 型凹槽结构适用于现有的加工工艺； V 型金属楔形结构具有强烈的亚波长的场增强效应；基于 介质波导耦合效应的波导可以达到高达 43%的耦合效率；对称式的复合波导可以使传输损耗大大减小；双金属 导能够实现低于 10%的 90弯折损耗。在本课题中，我们对上述波导 逐一进行了仿真分析，从波导物理特性，尤其是波导的传播长度、等效折射率以及模场面积三个方面对其进行了逐一验证。归纳表 何结构 等效折射率 波长(模场面积(传输长度 (m) 品质因数 550 2200000 9000 7 550 20000 550 64500 437 550 90 550 80 结构传播长度、等效折射率、模场面积 、品质因数 对比 8 第三章 复合波导的仿真分析 单 V 型复合波导特性 提到，前人对于各种结构（楔形、槽型、矩形、弯角）各种类型（ 合介质）的波导都进行过深入探索。尤其是楔形波导，前人也 进行了大量的研究。所谓楔形波导，最典型的结构 17如图 示： 图 形结构波导的典型几何特征 我们首先对于此结构进行扫描仿真，以下所有的研究都是基于波长为1550情况，楔形及基底部分为金属银，在电磁波波长为 1550其介电常数为 属楔形的上方为空气，介电常数为 1。具体几何参数为：h=2形尖角 变量，从 10 到 150 变化，步长为 10 。在 真 ，提取参数后结果如表 t m （u m ） p o w e r （1 0) A m （n 4 5 11691 4 5 35857 31 5 66907 81 4 95825 46 4 114282 22 4 157297 91 4 198915 83 4 274598 95 4 367348 35 4 514531 83 4 641459 082 4 957156 298 4 1337712 732 3 2011896 984 3 3162123 V 型波导仿真结果 9 其中 角度，范围为 10 度到 150 度， 传播长度，单位为 电磁场总能量，单位为 J， 最大能量密度，单位为 J/模场有效面积，由总能量 /最大能量密度得出。做出 关系，如图 示： 图 ：传播长度和楔形角度的关系；右：光场面积和楔形角度的关系 复合波导 的建模仿真 受到 V 型结构的启发，现提出一种双 V 型波导结构，如图 示： 图 V 型波导结构，采用对顶的双金属三角楔形，材料和单 V 型相同。影响此波导性能有三个主要因素：两顶点间水平距离 顶点间垂直距离 及楔形角度 对其进行建模仿真。影响其导光特性的因素主要有如下三个变量： 个楔形顶点间水平距离 个楔形顶点间垂直距离（负数表示两个楔形相互交错） 形尖角角度 10 单 V 型结构和双 V 型结构的对比分析 以上我们对于单 V 型和双 V 型结构进 行了细致的分析。现对两种结构从传播长度、模场面积、等效折射率以及 行对比。 此处对比的两种波导具体几何参数如下： 单 V 型： h=2度 变量，从 10到 90变化； 双 V 型： h=2，角度 10到 90变化； 如图 示： 图 V 型结构和双 V 型结构对比 可以发现，单 V 型结构的传播长度和模场面积都比双 V 型结构 大，但是对于二者之比 V 型结构比单 V 型结构 大三个数量级，这说明双 V 型在结构上能够对光场提供更好的均衡效果 ，波导品质因子更大 ，即在保证一定的传输长度上，光场面积可以限制的最小。 (a) 11 小结 受单 V 结构的启发，我们提出了双金属楔对顶的 复合波导模型。对比单 V 型结构， 波导在传播长度上比单 V 型小一个数量级，约为几十个微米。同时 结构能将光场限制在几百个平方纳米之内，在光场限制方面得到了很大的提升。我们引入了传播长度和光场面积的比值 可以从一个角度反映损耗与场增强哪一个趋势更加明显。令人欣慰的是，对比单 V 型结构， A 远大于单 V 型。说明 能够提升波导的性能，在传播长度可以接受的情况下（几十微米，已 经能够满足集成化的要求），光场得到了充分的限制。通过控制变量法进行不同组合的仿真，我们初步得到了金属楔形几何结构同波导物理性质之间的关系，为后续的研究奠定了基础。 12 第四章 总结 沿金属表面传播的极化波。 垂直金属表面上形成倏逝 场，场振幅呈指数衰减，因此 电磁能量被强烈地约束在表面附近，具有强大的近场增强效应；沿金属表面由于欧姆热效应，只能传播有限距离。利用 电磁波在亚波长尺度内的约束和局域特性，有望突破衍射极限，将光子器件的尺寸缩减到纳米量级，使光子器件的集成度大大提高。 13 参考文献 1 陈艳坤，韩伟华，李小明 . 突破衍射极限的表面等离子激元 J. 光电技术应用，2011,26(4). 2 王庆艳，王佳，张书练基于金属表面等离子激元控制光束的新进展 J光学技术，2009,35(2):1633 . K ,. F. P. in on a 2004,85(26):63234 , J, G. . 2006, 31(23):34475 . of 2007. 6 . & . 7 刘琼 面等离激元 共振性能研究 D南大学， 2009 8 王庆艳，王佳，张书练 . 基于金属表面等离子激元控制光束的新进展 . 北京：清华大学，2009 年 3 月 . 9 顾本源 . 表面等离激元亚波长光学原理和新颖效应 . 北京：中国科学院物理研究所，2007. 10 王保清 . 基于表面等离激元激元的金属薄膜微结构的研究 . 浙江：浙江大学， 2008 11 S I et 440, 2006 12 I. I. “A on J. A: 7, 005) 13 M P K of on 12(17)， 4072004) 14 R. F. V. J. D. A. D. F. P. X. “A 2, 496 - 500 (2008) 15 Y. Z. Y. J. J. T. “ 19, 224172011) 16 . K ,. F. P. in on a 2004,85(26):632317 D. F. P. T. D. K. T. M. M. . “of on 87, 061106 (2005). 18 R, R. A. Z. M. A. G. “ 35, 6492010) 14