纳米尺寸双V型表面等离激元波导导光特性研究-文献综述.doc

本 科 生 毕 业 论 文

文献综述与开题报告

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

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一、题目：纳米尺寸双V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：
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。
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，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。

指导教师（签名）
年 月 日

目 录

文献综述 1
一、 背景介绍 1
1. 当前集成技术的发展瓶颈 1
2. 表面等离子体激元的性质 1
3. 表面等离子体波导 1
二、 国内外研究现状 1
1. 研究方向及进展 1
2. 课题应用前景 2
3. 存在的问题 3
三、 研究展望 4
开题报告 6
一、 问题提出的背景 6
1. 背景介绍 6
2. 本研究的意义和目的 6
二、 论文的主要内容和技术路线 6
1. 主要研究内容 6
2. 技术路线 6
3. 可行性分析 8
三、 研究计划进度安排及预期目标 8
1. 进度安排 8
2. 预期目标 8
文献翻译和原稿 10

文献综述
指导老师：***
***系 ***班 姓名 学号

一、 背景介绍
1. 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
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、 国内外研究现状
1. 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
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
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
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
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
2.1 SPPs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
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
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
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
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
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；
（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、 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
[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).
[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
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[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.

开题报告
一、 问题提出的背景
1. 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. 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、 论文的主要内容和技术路线
1. 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. 技术路线
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：

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. 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、 研究计划进度安排及预期目标
1. 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. 预期目标
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
[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.
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
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
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。然而，在光信号处理器件和集成电路中用电磁波作为信息载体遇到的最主要的问题是，比起电子学器件，光子学无法将器件做到高度集成化和小型化。这个问题主要是由于光在介质中受到衍射极限的限制无法将电磁波限制在比波长小的多的纳米尺度中。

结论
表面等离子体光子纳米结构有超越衍射极限导行表面等离子光子的能力。这项仍在持续进行的研究证实了这些结构有着将光场局限在纳米尺度区域内的能力。这些结构可以将光能传输到纳米尺度的光电器件甚至传输到量子点和独立的分子上。导行的表面等离子体光子信号有可能很强烈地被局限在亚波长的尺度内，这使的这些结构对于将来设计和发展高度集成的高效纳米光子信号处理电路有着重要作用。人们同样期待这项研究能够在现有的光通信和微纳电子信息处理系统之间搭建一座桥梁。
表面等离子体光子纳米聚焦结构表现出强烈的光场增强和局域限制的效应，这对于新一代传感器、探测器的设计，纳米光学技术的发展有着潜在的价值。这项技术可以在几个分子尺度内实现光学刻划。这可能导致在纳米技术、生物光子技术以及医疗测试领域实现新的光学操作手段。表面等离子体光子纳米结构的独特功能在其他令人兴奋的研究方向同样被深入地研究和探索，如金属纳米粒子的局域化，通过亚波长孔等离子体激发等离子体介导的增强，使用表面等离子体光子近场结构进行热辅助磁记录。需要注意的是由于表面等离子光子学的快速发展，这篇综述可能没有充分涵盖在这个的领域的最新进展。
在光学信号处理、传感、成像领域，表面等离子光子结构在未来的实际应用情况依赖于该领域中的理论进展。然而这些未来的应用甚至更加依赖于能否成功地发展出实验方法和对于理想结构可行的制造技术，能否有效地激发出超越衍射极限的表面等离子光子模式，以及能否实现纳米尺度下信号的检测。表面等离子体光子学仍处在其婴儿阶段，那些为了达到有效激发、操纵以及检测目的而设计的表面等离子光子器件能否有效地集成将是未来重要而又艰巨的技术挑战。

翻译原文

毕业论文（设计）文献综述和开题报告考核

一、对文献综述、外文翻译和开题报告评语及成绩评定：

成绩比例
文献综述
占（10%）
开题报告
占（20%）
外文翻译
占（10%）
分 值

开题报告答辩小组负责人（签名）
年 月 日