畢業(yè)設計（論文）-基于表面等離子體的跑道形濾波器的設計與分析.doc

湖南科技大學本科生畢業(yè)論文-1-目錄第一章前言31.1研究表面等離子激元的意義31.2本文的研究范圍和解決主要問題3第二章表面等離子體及其波導52.1表面等離子體研究的歷史背景52.2表面等離子體的基本概念和特性52.2.1表面等離子體的基本概念52.2.2表面等離子體的基本特性62.2.3SPP與LSP的關(guān)系62.3洛倫茲模型和德魯?shù)履Ｐ?2.3.1洛倫茲（Lorentz）模型72.3.2德魯?shù)拢―rude）模型72.4金屬-介質(zhì)-金屬等離子體波導10第三章數(shù)值計算方法113.1時域有限差分法的提出113.2時域有限差分法簡介113.2.1差分運算的基本的概念123.2.2時域有限差分法基本原理123.2.3時域有限差分法基本特點153.2.4EastFDTD簡介15第四章基于表面等離子體的跑道形濾波器的設計與分析164.1濾波器的基本特性和基本理論164.2基于表面等離子體的兩種濾波器的設計與計算194.2.1環(huán)形濾波器的設計214.2.2跑道形濾波器的設計234.2.3兩種濾波器的運算過程比較254.2.4兩種濾波器的頻率響應對比274.3基于表面等離子體的兩種濾波器的一些參數(shù)對比分析28第五章結(jié)論29參考文獻30湖南科技大學本科生畢業(yè)論文-2-致謝32附錄A33B34湖南科技大學本科生畢業(yè)論文-3-第一章前言1.1研究表面等離子激元的意義伴隨著國家利益的需要、人們對于生活品質(zhì)的追求和科學技術(shù)的發(fā)展，信息技術(shù)滲透了國民經(jīng)濟、人民的生活和社會發(fā)展的各個領域和各個層次?，F(xiàn)代信息技術(shù)對于器件微型化和高度集成化的要求，要求單元器件的尺寸越來越小，器件的空間距離也越來越小(均要突破光學衍射極限)，基于傳統(tǒng)光學的基本原理和技術(shù)因受衍射極限的限制，在納米尺度層面和結(jié)構(gòu)上就難以實現(xiàn)與此相關(guān)的信息的傳輸、處理和相關(guān)技術(shù)應用等，不能滿足科學技術(shù)發(fā)展的需要，因此迫切需要實現(xiàn)突破衍射極限的新機理和新技術(shù)；同時納米尺度器件也表現(xiàn)出傳統(tǒng)器件所不具有的新現(xiàn)象、新功能和新應用。納米光子學(nanophotonics)就是在這種背景下產(chǎn)生的前沿科學。納米光子學器件本身涉及多學科交叉，其光學行為將從波動光學范疇擴展到近場光學、量子光學和微區(qū)非線性光學等領域。作為實現(xiàn)量子調(diào)控的新一代的信息技術(shù)重要研究內(nèi)容之一，美、日、英、法等發(fā)達國家先后投入了巨大人力和財力進行相關(guān)的基礎和器件研究工作，納米光子學已經(jīng)列入了國家中長期科技規(guī)劃。目前國際上實現(xiàn)納米尺度的光學控制主要方法之一就是基于表面等離子體。利用表面等離子體可以將光學控制的維度從三維降為二維，實現(xiàn)納米尺度超衍射極限的光傳輸?shù)挠行д{(diào)控，同時可在納米尺度上電磁能量局域匯聚放大，其空間尺度受限、場空間局域增強的特點，在微納傳感探測、納米光子器件設計及其集成等納米光子學領域具有重要應用。目前，隨著納米科學技術(shù)、近場掃描探針技術(shù)等的發(fā)展，國際上關(guān)于納米尺度中的各種局域光學效應及表面等離子體在納米光子學領域的應用和相關(guān)器件研究得到了廣泛重視和蓬勃發(fā)展。亞波長金屬微納結(jié)構(gòu)是激發(fā)和控制表面等離子體的主要結(jié)構(gòu)。有效激發(fā)表面等離子體的金屬微結(jié)構(gòu)光子器件不僅能改善傳統(tǒng)器件的性能，而且會產(chǎn)生一些新奇的物理現(xiàn)象以及實現(xiàn)新的器件功能，因而在微納光子學、生物醫(yī)學、信息等領域有著廣闊的應用前景。1.2本文的研究范圍和解決主要問題表面等離子激元沿著導體一電解質(zhì)分界面處傳播，傳播距離大約是幾百納米到幾微米，并在垂直表面的兩個方向上，均以指數(shù)式衰減。傳統(tǒng)光學由于衍射極限的限制，只能把光子器件做到波長(n)量級，而無法滿足集成光學的需求，而基于表面等離子激元的光子器件則打破了衍射極限的限制，可以將光束縛在亞波長結(jié)構(gòu)中傳播，故有利于光器件的集成化發(fā)展。湖南科技大學本科生畢業(yè)論文-4-基于表面等離子激元的光波導由于可以將光場限制的很小，因而可以實現(xiàn)非常急劇的彎曲，進而可以做成非常小的跑道形波導。本文研究的基于表面等離子激元的共振濾波器就是一種十分重要，也是十分基礎的光學器件，在光通信中有著很廣泛的應用(如光開關(guān)，波分復用等)。本文主要通過EastFDTD軟件分析、計算并比較跑道形濾波器與環(huán)形濾波器的優(yōu)劣。湖南科技大學本科生畢業(yè)論文-5-第二章表面等離子體及其波導2.1表面等離子體研究的歷史背景早在100多年前,人們就認識到貴金屬(合金)納米顆粒在可見光區(qū)表現(xiàn)出很強的寬帶光吸收特征。這種現(xiàn)象實質(zhì)上是由于費米能級附近導帶上的自由電子在電磁場的驅(qū)動下在金屬表面發(fā)生集體振蕩,產(chǎn)生所謂局域表面等離激元；共振狀態(tài)下電磁場的能量被有效地轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘俦砻孀杂呻娮拥募w振動能。在理論上首次證明，表面等離子體激發(fā)現(xiàn)象的存在是Ritchic于19571年完成的，然而歷史上第一次明確提出表面等離子體(surfaceplasmons)這個概念卻是在之后的1960年由Stern2等完成的。同年powell和swan在實驗上通過電子束觀測到了薄金屬膜上表面等離子體的激發(fā)。1968年Otto用他的衰減全反射(ATR)方法在實驗中實現(xiàn)光波頻段的表面等離子體的激發(fā)。雖然在1960年Stern等就提出表面等離子體這個概念,但是由于理論不夠完善和技術(shù)不夠先進,表面等離子體并沒有顯示出它的優(yōu)點,不為人們所關(guān)注,所以該領域發(fā)展一直比較緩慢。直到該世紀八十年代初期，掃描隧道顯微鏡(seanningtunnelingmieroseope，STM)的發(fā)明(Binningetal，1982)大大推動了由傳統(tǒng)的遠場光學向近場光學的發(fā)展。1984年瑞士蘇黎世IBM研究室的D.W.Pohl等人研制成功了世界上第一臺近場掃描光學顯微鏡(near-fieldseanningoptiealmieroseopy,NSOM)。隨著近場掃描光學顯微鏡的出現(xiàn)，使得在金屬表面探測SPs成為可能,SPs的散射和局域性質(zhì)得到了廣泛的研究，形成了二維等離子體光學。表面等離子體光學仍然屬于近場光學的范疇，顧名思義，它是以表面等離子體為核心研究內(nèi)容的新興學科。在最近十年,與表面等離激元有關(guān)的研究取得了眾多令人鼓舞的新進展,而且迅速向其它領域交叉滲透,新的研究分支不斷出現(xiàn)。國內(nèi)關(guān)于與表面等離激元有關(guān)的研究進展介紹已經(jīng)一些報道,涉及表面拉曼增強,傳感器件,納米光子學,左手材料,亞波長光學,及其它一些應用技術(shù)等等。2008年,PanStandord出版社出版了一本由南丹麥大學S.I.Bozhevolnyi主編的、題為PlasmonicNanoguidesandCircuits的文集,書中圍繞各種SP波導,收集了12個專題論述3。2.2表面等離子體的基本概念和特性2.2.1表面等離子體的基本概念等離子體的定義為正離子和電子的密度大致相等的電離氣體。通常等離子體中存在電子、正離子和中性粒子。金屬表面有自由電子，入射光子和金屬表面的自由電子相互耦合形成的局域電磁波就是表面等離子體，它是一種沿金屬導體表湖南科技大學本科生畢業(yè)論文-6-面?zhèn)鞑サ碾姶挪?，它是存在于金屬表面的一種非輻射局域模式,其振幅隨離開分界面的距離按指數(shù)衰減。表面等離子體包括表面等離極化激元(SurfacePlasmonPolariton，SPP)和局域表面等離激元(LocalizedSurfacePlasmon，LSP)共振兩種。2.2.2表面等離子體的基本特性表面等離子體是金屬表面自由電子在入射光場的激勵下集體相干振蕩，這種相互作用產(chǎn)生了表面等離子體并賦予其獨特的性質(zhì)。兩個顯著特征：（1）表面等離子體在傳播方向上具有比光波大的傳播波矢（即更短的波長）；（2）在與傳播方向垂直的方向上是消逝場。由于表面等離子體在與界面垂直的方向上是振幅以指數(shù)衰減的方式傳播，因不能通過傳統(tǒng)的實驗設備直接觀測到。光子掃描隧道顯微鏡(PhotonScanningTunnelingMicroscope，PSTM)21是用探針探測樣品表面附近被全反射光所激勵的瞬逝場，從而獲得表面結(jié)構(gòu)信息。其分辨率遠小于入射光的半波長，突破了光學顯微鏡半波長極限的限制。光子掃描隧道顯微鏡原理和工作方式與掃描隧道顯微鏡相似，所不同的是掃描隧道顯微鏡利用電子的隧道效應，光子掃描隧道顯微鏡則是利用光子的隧道效應。因而近場技術(shù)如光子掃描隧道顯微鏡可以用于對金屬表面電場進行直接探測。光子掃描隧道顯微鏡是收集模式的掃描近場光學顯微鏡，樣品放在棱鏡的上表面，這樣可以通過衰減內(nèi)全反射的方法激發(fā)表面等離子體。納米量級的針尖通常用光纖拉錐的方法制備，然后鍍上一層金屬膜。光子掃描隧道顯微鏡掃描的圖像是近場電場強度分布的直觀體現(xiàn)。2.2.3SPP與LSP的關(guān)系（1）LSP和SPP的不同兩者的色散關(guān)系不同，SPP是一種表面的傳播場，而LSP是依托于某種表面結(jié)構(gòu)的局域電磁場振蕩，具有一系列分立的、復數(shù)的頻率，是由產(chǎn)生LSP的表面微結(jié)構(gòu)的尺度形狀決定的。LSP振蕩可以由合適的頻率和偏振的光來激發(fā)，與激勵光的波矢無關(guān)，而SPP的激發(fā)則要求激勵光的頻率和波矢都要和SPP匹配（2）LSP和SPP可以相互轉(zhuǎn)換在粗糙的表面，LSP和SPP的頻率接近LSP振蕩可以激勵SPP，SPP也可以激發(fā)LSP。LSP和SPP之間能量的轉(zhuǎn)換，對于SPP的激勵起著重要作用。（因為LSP不要求波矢匹配，通過LSP來激發(fā)SPP效率更高）提高了表面結(jié)構(gòu)對于SPP的散射作用。2.3洛倫茲模型和德魯?shù)履Ｐ秃峡萍即髮W本科生畢業(yè)論文-7-表面等離子體波是一種可以在金屬與介質(zhì)表面上傳播的光波模式。使用表面等離子體波，研究者們己經(jīng)提出了各種具有亞波長尺度上導光性質(zhì)的波導結(jié)構(gòu)以及相關(guān)功能器件。金屬的光頻性質(zhì)可用經(jīng)典電子理論模型加以說明。2.3.1洛倫茲（Lorentz）模型洛倫茲（Lorentz）色散模型4是基于阻尼諧振子近似的色散理論(Lorentz，1909)。在均勻和各向同性的介質(zhì)中，一級近似下，光與物質(zhì)的相互作用可看作阻尼諧振子的受迫振蕩。諧振子之間的相互作用，用阻尼系數(shù)來表征；假定介質(zhì)的固有振蕩頻率為p，對于質(zhì)量為m的諧振子受到的作用力有:與位移x成正比的彈性恢復力2pmx，與速度成正比的阻尼力mx和光電場驅(qū)動力0exp()eEit，e為諧振子的有效電荷。于是諧振子的運動方程可以表示為(方容川，2001):200exp()mxmxmxeEit（2.1）其中為入射光的頻率。具有頻率的量綱，表示諧振子相互碰撞的頻率。由此方程即可得到諧振子在光波作用下的位移022()exp()pemxeEiti（2.2）由該表達式，結(jié)合電極化強度的定義，不難得到介電常數(shù)、折射率以及電導率的色散關(guān)系。理論上講，Lorentz模型可以模擬絕大多數(shù)介質(zhì)，包括金屬。不過金屬的獨特結(jié)構(gòu)使得基于自由電子氣近似的德魯?shù)?Drude，1900)色散模