年级与专业 09级电子科学与技术 或09级信息.doc

本本 科科 生生 毕毕 业业 论论 文文 文献综述与开题报告文献综述与开题报告 姓名与学号姓名与学号 指导教师指导教师 年级与专业年级与专业 0909 级电子科学与技术级电子科学与技术 或或 0909 级信息级信息 与通信工程与通信工程 所在学院所在学院 信息与电子工程学系信息与电子工程学系 一 题目一 题目 纳米尺寸双纳米尺寸双 V V 型表面等离激元波导导光特性研究型表面等离激元波导导光特性研究 二 指导教师对文献综述和开题报告的具体内容要求 二 指导教师对文献综述和开题报告的具体内容要求 对文献综述的要求 对文献综述的要求 要求详细阅读表面等离激元各种几何结构波导的文献 对之前已发表的各要求详细阅读表面等离激元各种几何结构波导的文献 对之前已发表的各 种结构的波导做一个归纳总结 并比较各自的传输长度和模场大小 作出文献种结构的波导做一个归纳总结 并比较各自的传输长度和模场大小 作出文献 综述 综述 对开题报告的要求 对开题报告的要求 要求学生对表面等离激元和契形波导和凹槽的相关背景知识有深入理解 要求学生对表面等离激元和契形波导和凹槽的相关背景知识有深入理解 对目前已发表的各种契形波导有系统的归纳 能指出存在的不足和未来发展的对目前已发表的各种契形波导有系统的归纳 能指出存在的不足和未来发展的 方向 方向 指导教师 签名 指导教师 签名 年年 月月 日日 目目 录录 文献综述文献综述 1 一 一 背景介绍背景介绍 1 1 当前集成技术的发展瓶颈当前集成技术的发展瓶颈 1 2 表面等离子体激元的性质表面等离子体激元的性质 1 3 表面等离子体波导表面等离子体波导 1 二 二 国内外研究现状国内外研究现状 1 1 1 研究方向及进展研究方向及进展 1 2 2 课题应用前景课题应用前景 2 3 3 存在的问题存在的问题 3 三 三 研究展望研究展望 4 开题报告开题报告 6 一 一 问题提出的背景问题提出的背景 6 1 1 背景介绍背景介绍 6 2 2 本研究的意义和目的本研究的意义和目的 6 二 二 论文的主要内容和技术路线论文的主要内容和技术路线 6 1 1 主要研究内容主要研究内容 6 2 2 技术路线技术路线 6 3 3 可行性分析可行性分析 8 三 三 研究计划进度安排及预期目标研究计划进度安排及预期目标 8 1 1 进度安排进度安排 8 2 2 预期目标预期目标 8 文献翻译和原稿文献翻译和原稿 10 1 文献综述文献综述 指导老师 系 班 姓名 学号 一 一 背景介绍背景介绍 1 当前集成技术的发展瓶颈当前集成技术的发展瓶颈 互联网和计算机的速度越来越快 功能越来越强大 但是电子线路的发热和速度严重 限制了计算机的运行 用光子替代电子 光子不会像电子那样产生大量热量 并且随着频 率的升高具有很高的数据传输能力 光子集成电路比传统的电子集成电路具有很多明显优 势 包括信号屏蔽性 速度更快 发热更少 带宽更大 串扰更低等 然而 光子集成电 路需要在纳米级尺度内控制光子 离桌面计算机和其他口常应用还相差甚远 这对纳米光 子学的研究提出了新的挑战 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 2 表面等离子体激元的性质表面等离子体激元的性质 表面等离子体激元有望解决这一问题 表面等离子体激元是光与金属自由电子相互作 用 在金属 介质界面产生的电子 光子混合共振 表面等离子体激元有两种形式 局域表面 等离子体激元 localized surface plasmons LSPs 和表面等离子体极化激元 surface plasmon polaritons SPPs LSPs 是电子与光子耦合的非传播的激发 主要涉及很小的纳米 颗粒的散射问题 SPPs 是沿金属表面传播的极化波 SPPs 在垂直金属表面上形成消逝场 场振幅呈指数衰减 因此 SPPs 的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 3 表面等离子体波导表面等离子体波导 在纳米光子学中 波导用来传导光 扮演电缆或线路的角色 是实现纳米光子回路的 基础 利用表面等离子体波导作为光子互连元件 具有无 RC 延迟和衍射极限限制的优势 SPPs 波导结构的种类有沟槽 楔形 金属纳米条 纳米线 纳米颗粒 矩形间隙 狭缝等 二 二 国内外研究现状国内外研究现状 2 1 研究方向及进展研究方向及进展 表面等离子体是一门新兴学科 我国对于此方面的研究起步较晚 当前表面等离子体 亚波长的光学研究有如下进展和热点问题 1 1 SPPs 光场的探测方法研究光场的探测方法研究 目前 SPPs 的性质和金属表面结构之间的关系不是很清楚 而与 SPPs 相关的器件就是 利用 SPPs 在金属表面的传播行为和光场分布特性制成的 因此更详细地了解 SPPs 的传播 行为是非常有必要的 由于 SPPs 是局域在金属表面 且涉及到亚波长尺度的结构 因此传 统的光学检测手段无法探测 SPPs 的传播和分布 1 2 SPPs 的带隙结构的研究的带隙结构的研究 近几年来光子晶体的研究成为光子学的一个热点问题 这些有关光子晶体的器件主要 是由一些半导体或者绝缘材料制成的 利用这些材料制成的波长量级的结构可以用来控制 光与物质的相互作用 金属材料也可以是用来制作光子带隙结构 金属表面上波长量级的 周期性结构可以用来改变在其上传播的 SPPs 的性质 1 3 金属微孔结构和狭缝阵列结构的研究金属微孔结构和狭缝阵列结构的研究 1998 年 Ebbesen 在 Nature 上发表了亚波长金属小孔阵列结构的异常透过现象的文章 13 实验结果表明 该结构的透过光强不仅远高于经典衍射理论计算结果 而且大于按照 小孔所占金属表面的面积比的计算结果 这就意味着照在小孔之间的光也能通过某种方式 耦合到金属膜的另一边 1 4 SPPs 在纳米光刻中的研究在纳米光刻中的研究 由于光学衍射极限的存在 传统的光学刻写方法无法刻出超衍射极限的精细结构 尽 管光投影刻蚀术 optical projection lithgraphy 可以通过采用更短的波长光源来达到上述目 的 然而也会引发一系列相关的问题 例如 要求研发新的光源 新的光敏层材料 相关 的光子学等等 这些问题都有待解决 目前 利用 SP 2 课题应用前景课题应用前景 2 1 SPPs 波导波导 SPPs 波导是实现纳米光子回路的基础 在此基础上人们可以进一步研制集成于金属表 面的各种 SPPs 器件 从而构筑等离子体光子芯片 在这方面 武汉大学汪国平教授领导的 研究小组的研究成果较为突出 并著有相关著作 在表面等离子带隙结构中引人线缺陷即 3 可引导 SPPs 的传播 通过设计缺陷的形状可以实现 SPPs 的直线波导 弯曲波导以及分束 波导等 22 2 2 SPPs 耦合器耦合器 等离子体光子芯片具有输出输入端口 这些端口通过 SPPs 耦合器 可以避免将远场光 直接耦合到 SPPs 芯片中的纳米光电子器件上 一个优选的方案是将半球形状的金属纳米颗 粒与基于纳米点的 SPPs 波导整合一起 当聚焦的 SPPs 馈送进耦合器中 传播距离可达 4 0um 2 3 SPPs 新型光源新型光源 SPPs 引发的电磁场 不仅能够限制光波在亚波长尺寸结构中的传播 而且能够产生和 操控从光频到微波波段的电磁辐射 在有源光学材料附近附着金属结构 在金属结构表面 诱导产生 SPPs 使得有源光学材料周围的光子态密度发生显著变化 从而改变有源光学材 料的自发辐射寿命 减弱非辐射过程对于其发光过程的影响 进而提高发光效率 2 4 SPPs 纳米光刻蚀技术纳米光刻蚀技术 在目前加工制作电子电路的工艺水平下 最小的特征尺寸大约为 5Onm 然而新型的光 刻蚀术要求能够加工纳米尺度的集成回路 2 5 SPR 传感器传感器 利用表面等离子体共振 Surface Plasmon resonance SPR 现象研制光化学传感器已引 起人们的极大兴趣 正成为传感器领域的研究前沿 光纤 SPR 传感器在传感机理上主要有 两类 一是利用倏逝场效应 通过腐蚀或研磨掉包层后在纤芯表面镀金属膜 或在锥形光 纤表面镀金属膜 二是在纤芯内写入长周期光栅 将芯内的模式在某一特定波长转化成包 层高阶模 使高阶模与等离子体实现相位匹配 3 存在的问题存在的问题 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 SPPs 芯片 用作超低损耗的光子互连元件 利用 SPPs 元件或回路 可实现超密的光子功能器件中导波 深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 为了实现这些目标 需要在这个崭新的学科领域中 开展更广 泛深入的研究 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的波导相比拟的光频段亚波长尺寸的金属线回路 4 2 研发高效率的 SPPs 有机和无机材料的 LEDs 具有辐射可调性 3 通过对 SPP 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 SPPs 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 SPPs 回路中去 5 研发深亚波长的 SPPs 纳米光刻蚀术 6 深入地探究 SPPs 中新效应的物理机制 三 三 研究展望研究展望 SPPs 在纳米光子学应用领域中显示出的巨大价值己为各领域人士所共识 未来 SPPs 的 研究将向多维化 实用化的方向发展 但 SPPs 的研究在我国起步较晚 如何降低 SPPs 纳 米波导传输损耗及如何利用 SPPS 设计制备各种新型 简便 高效的功能纳米光学结构与器 件 正是未来需要钻研的课题 只有两者的不断进步和发展 SPPs 纳米光子器件才能具有 真正的实用价值 从而为实现纳米全光集成这一美好前景打下坚实的基础 参考文献参考文献 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 2 163 174 3 Gramotnev D K Pile D F P Single mode subwavelength waveguide with channel plasmon polaritons in triangular grooves on a metal surface J Applied Physics Letters 2004 85 26 6323 6325 4 Moreno E Garcia Vidal F J Rodrigo S G Channel plasmon polaritons modal shape dispcrsion and losses J Optics Letters 2006 31 23 3447 3449 5 Pile D E P Gramotnev D K Plasmonic subwavelength waveguides next to zero losses at sharp bends J Optics Leters 2005 30 10 1186 1188 6 Boltasscva A Volkov V S Nielsen R B et al Triangular metal wedges for subwavelength plasmon polariton guiding at telecom wavelengths J Optics Express 2008 16 8 5252 5260 7 Maier S A Kik P G Atwater H A observation of coupled plasmon polariton modes in Au nano particle chain waveguides of different lengths Estimation of waveguide loss J Applied Physics Letters 2002 81 9 1714 1716 8 Halas N J Knight M W Grady N K et al Nanoparticle mediated coupling of light in to a nanowire J Nano Letters 2007 7 8 2346 2350 9 Maier S A Kik P G Atwater H A et al Local detection of electromagnetic energy transport below the diffraction limit in metal nano particle plasmon waveguides Nature Materials 2003 2 4 229 232 10 Zhang X oulton R F Sorger V J et al A hybrid plasmonic waveguide for subwavelength confinement and Iong range propagation J Nature Photonics 2008 2 8 496 500 11 Ozbay E Plasmonics Merging photonics and electronics at nanoscale dimensions J Science 2006 311 5758 189 193 12 J R Krenn A Dereux J C Weeber Squeezing the Optical Near Field Zone by Plasmon Coupling of Metallic Nanoparticles Phy Rev Lett 1999 82 12 5 13 Ebbesen T W Lezec H J Ghaemi H F et al Nature 1998 391 667 14 Fang N Lee H Sun C et al subdiffraction limited optical imaging with a silver superlens J Science 2005 308 5721 534 537 15 汪国平 表面等离子体激元纳米集成光子器件 J 物理 2006 35 6 502 507 16 S I Bozhevolnyi and et al Channel plasmon subwavelength waveguide components including interferometers and ring resonators Nature vol 440 p 508 2006 17 Leilei Yin Vitali K et al Subwavelength Focusing and Guiding of Surface Plasmons Nano lett 2005 5 1399 18 汪毅 周治平 基于表面等离子体激元的硅基激光器 J 激光与光电子学进展 2008 45 2 26 26 19 Kik P G Maier S A Atwater H A Phys Rev B 2004 69 045418 20 刘琼 周期性结构的表面等离子体共振性能研究 D 长沙 中南大学 2009 21 张斗国 王沛 表面等离子体亚波长光学前沿进展 物理 No 7 2005 22 李娜 倪晓昌 王彬 表面等离子体激元研究进展 天津工程师范学院学报 vol 20 No 4 2010 6 开题报告开题报告 一 一 问题提出的背景问题提出的背景 1 1 背景介绍背景介绍 互联网和计算机的速度越来越快 功能越来越强大 但是电子线路的发热和速度严重 限制了计算机的运行 用光子替代电子 光子不会像电子那样产生大量热量 并且随着频 率的升高具有很高的数据传输能力 光子集成电路比传统的电子集成电路具有很多明显优 势 包括信号屏蔽性 速度更快 发热更少 带宽更大 串扰更低等 然而 光子集成电 路需要在纳米级尺度内控制光子 离桌面计算机和其他口常应用还相差甚远 这对纳米光 子学的研究提出了新的挑战 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 2 2 本研究的意义和目的本研究的意义和目的 半导体器件的性能 速度以及易用依赖于它们在外部器件上的小型化与集成化 然而 当代电子设备的信息集成处理和传感正在迅速达到理论上的速度和带宽的限制 这是一个 日益严重的问题 阻碍了现代科技中许多领域的进一步发展 最有前途的一种解决方案是 用光信号取代作为信息载体的电信号 本课题主要通过软件仿真实验得到复合楔形波导的各种物理参数 如传播长度 propagation length 等效折射率 refractive index 光场大小 mode confinement 最 后通过优化 改变复合波导的结构 为之后进一步的研究奠定基础 二 二 论文的主要内容和技术路线论文的主要内容和技术路线 1 1 主要研究内容主要研究内容 本课题将探索表面等离子体光子的特性 将研究利用 SPP 特性设计不同结构的纳米波 导 本项目将结合电磁理论与光学理论 研究不同结构波导的导光特性和物理特性 利用 SPP 独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 2 2 技术路线技术路线 7 本课题拟采用 COMSOL 作为仿真软件 计划对 SPP 复合楔形波导进行一系列的仿真与优 化设计 首先根据之前查阅的相关文献资料 对前人设计的波导结构进行仿真验证 如下 各图 图一 IMI 结构 4 图二 复合 WPP 波导 5 验证后 我们提出一种新型的复合楔形波导结构 如下图 8 对其进行建模仿真 得到相应的一组物理参数 与前人成果比对 并进行优化 最终得到 高性能的导波结构 3 3 可行性分析可行性分析 图书馆以及我校现有的丰富的电子网络资源 可以提供足够的实验参数等本课题实验 所需的相关信息 COMSOL Multiphysics 是一款大型的高级数值仿真软件 广泛应用于各个领域的科学研 究以及工程计算 被当今世界科学家称为 第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件 模拟科学和工程领域的各种物理过程 COMSOL Multiphysics 以高效的计算性能和杰出 的多场双向直接耦合分析能力实现了高度精确的数值仿真 三 三 研究计划进度安排及预期目标研究计划进度安排及预期目标 1 1 进度安排进度安排 第 1 4 周 进行文献查找和整理 文献阅读和翻译 了解 SPP 的研究进展 完成开题报告 撰写 第 5 8 周 掌握 COMSOL 仿真软件的基本用法 对前人提出的结构进行建模仿真 提出我们 的新型结构并进行仿真 第 9 12 周 分析实验结果 得出物理参数 分析并进行结构优化 第 13 15 周 进行仿真测试资料和数据整理 完成毕业论文撰写和答辩 2 2 预期目标预期目标 9 在了解 SPP 的基本特性之后 研究作为主要应用的复合波导的导波特性及物理特性 学会使用 COMSOL 软件对需要的结构进行建模仿真 提出新型的结构进行仿真并且优化 为 后期的研究提供理论基础 参考文献参考文献 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 2 163 174 3 Dmitri K Gramotnev and Sergey I Bozhevolnyi Plasmonics beyond the diffraction limit Nature Photonics vol 4 Feb 2010 83 91 4 Yusheng Bian Zheng Zheng Xin Zhao Symmetric hybrid surface plasmon polariton waveguides for 3D photonic integration Optics Express Vol 17 No 23 Nov 2009 5 Yusheng Bian Zheng Zheng Ya Liu Hybrid wedge plasmon polariton waveguide with good fabrication error tolerance for ultra deep subwavelength mode confinement Optics Express Vol 19 No 23 Nov 2011 10 文献翻译和原稿文献翻译和原稿 突破衍射极限的表面等离子体光子学 Dmitri K Gramotnev and Sergey I Bozhevolnyi 摘要摘要 近几年 基于 SPP 表面等离子体激元 的纳米光子学的研究快速兴起 电磁波沿金属 介质的交界面传播 而且以超越衍射极限的微小尺度被金属纳米结构导行 对于高度集成 的光子信号处理系统的设计 纳米分辨率的光学成像技术和传感器的设计而言 这种不寻 常的特性有着独特的前景 这篇综述总结了等离子体导波的基本原理和主要成就 并详细 介绍了亚波长表面等离子体波导 无源和有源纳米表面等离子体器件 光场探测和操纵 纳米尺度光学聚焦的配置等多个领域的最新进展 最后 讨论了纳米光子器件和电路的潜 在发展和应用 如光信号处理 纳米光学器件以及近场纳米级分辨率显微镜的制造 前言前言 半导体器件的性能 速度以及易用依赖于它们在外部器件上的小型化与集成化 然而 当代电子设备的信息集成处理和传感正在迅速达到理论上的速度和带宽的限制 这是一个 日益严重的问题 阻碍了现代科技中许多领域的进一步发展 最有前途的一种解决方案是 用光信号取代作为信息载