年級與專業(yè)09級電子科學(xué)與技術(shù)或09級信息與通信工程

1、業(yè)論文文獻綜述與開題報告護:名與學(xué).號*指導(dǎo)教師*年級與專業(yè)09級電子科學(xué)與技術(shù)或09級信息與通信工程所在學(xué)院信息與電子工程學(xué)系、題目：納米尺寸雙V型表面等離激元波導(dǎo)導(dǎo)光特性研究二、指導(dǎo)教師對文獻綜述和開題報告的具體內(nèi)容要求: 對文獻綜述的要求:要求詳細閱讀表面等離激元各種幾何結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的文獻，對之前已發(fā)表的各種結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)做一個歸納總結(jié)，并比較各自的傳輸長度和模場大小，作出文獻綜述。對開題報告的要求:要求學(xué)生對表面等離激元和契形波導(dǎo)和凹槽的相關(guān)背景知識有深入理解, 對目前已發(fā)表的各種契形波導(dǎo)有系統(tǒng)的歸納，能指出存在的不足和未來發(fā)展的 方向。指導(dǎo)教師（簽名）111文獻綜述背景介紹1.當(dāng)前集成技術(shù)的

2、發(fā)展瓶頸2.表面等離子體激元的性質(zhì)3.表面等離子體波導(dǎo)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.研究方向及進展2.課題應(yīng)用前景3. 存在的問題研究展望開題報告問題提出的背景1. 背景介紹2.本研究的意義和目的論文的主要內(nèi)容和技術(shù)路線1.主要研究內(nèi)容2.技術(shù)路線3. 可行性分析研究計劃進度安排及預(yù)期目標(biāo)1. 進度安排102.預(yù)期目標(biāo)文獻翻譯和原稿文獻綜述指導(dǎo)老師：*系*班姓名學(xué)號背景介紹1. 當(dāng)前集成技術(shù)的發(fā)展瓶頸互聯(lián)網(wǎng)和計算機的速度越來越快、功能越來越強大，但是電子線路的發(fā)熱和速度嚴(yán)重限制了計算機的運行。用光子替代電子，光子不會像電子那樣產(chǎn)生大量熱量，并且隨著頻率的升高具有很高的數(shù)據(jù)傳輸能力。光子集成電路比傳統(tǒng)的電子

3、集成電路具有很多明顯優(yōu)勢，包括信號屏蔽性、速度更快、發(fā)熱更少、帶寬更大、串?dāng)_更低等。然而，光子集成電路需要在 納米級尺度內(nèi)控制光子，離桌面計算機和其他口常應(yīng)用還相差甚遠。 這對納米光子學(xué)的研究提出了新的挑戰(zhàn)：一方面要求光學(xué)器件尺寸高度小型化，便于納米應(yīng)用和集成；另一方面要 求能夠在納米尺度下控制光場，實現(xiàn)在納米尺度內(nèi)的聚焦、變換、耦合、折射、傳導(dǎo)和復(fù)用, 以及實現(xiàn)高準(zhǔn)直、超衍射的新型光源和各種納米光子學(xué)器件。2. 表面等離子體激元的性質(zhì)表面等離子體激元有望解決這一問題。表面等離子體激元是光與金屬自由電子相互作 用、在金屬-介質(zhì)界面產(chǎn)生的電子-光子混合共振。表面等離子體激元有兩種形式：局域表面

4、等離子體激元（localized surface plasmons, LSPS和表面等離子體極化激元（surface plasmon polaritons, SPPs）。LSPs是電子與光子耦合的非傳播的激發(fā)，主要涉及很小的納米顆粒的散 射問題。SPPs是沿金屬表面?zhèn)鞑サ臉O化波。SPPs在垂直金屬表面上形成消逝場，場振幅呈 指數(shù)衰減，因此SPPs的電磁能量被強烈地約束在表面附近，具有強大的近場增強效應(yīng)；沿 金屬表面由于歐姆熱效應(yīng)，只能傳播有限距離。3. 表面等離子體波導(dǎo)在納米光子學(xué)中，波導(dǎo)用來傳導(dǎo)光，扮演電纜或線路的角色，是實現(xiàn)納米光子回路的基礎(chǔ)。利用表面等離子體波導(dǎo)作為光子互連元件，具有無R

5、C延遲和衍射極限限制的優(yōu)勢。SPPs 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的種類有溝槽、楔形、金屬納米條、納米線、納米顆粒，矩形間隙，狹縫等。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1. 研究方向及進展表面等離子體是一門新興學(xué)科，我國對于此方面的研究起步較晚。當(dāng)前表面等離子體亞 波長的光學(xué)研究有如下進展和熱點問題。1.1 SPPs光場的探測方法研究目前SPPs的性質(zhì)和金屬表面結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系不是很清楚，而與SPPs相關(guān)的器件就是利 用SPPs在金屬表面的傳播行為和光場分布特性制成的，因此更詳細地了解SPPs的傳播行為 是非常有必要的.由于SPPs是局域在金屬表面.且涉及到亞波長尺度的結(jié)構(gòu)，因此傳統(tǒng)的 光學(xué)檢測手段無法探測SPPs的傳播和分布。1.2

6、 SPPs的帶隙結(jié)構(gòu)的研究近幾年來光子晶體的研究成為光子學(xué)的一個熱點問題。這些有關(guān)光子晶體的器件主要是 由一些半導(dǎo)體或者絕緣材料制成的。利用這些材料制成的波長量級的結(jié)構(gòu)可以用來控制光與 物質(zhì)的相互作用。金屬材料也可以是用來制作光子帶隙結(jié)構(gòu)， 金屬表面上波長量級的周期性 結(jié)構(gòu)可以用來改變在其上傳播的 SPPs的性質(zhì)。1.3金屬微孔結(jié)構(gòu)和狹縫陣列結(jié)構(gòu)的研究1998年, Ebbesen在Nature上發(fā)表了亞波長金屬小孔陣列結(jié)構(gòu)的異常透過現(xiàn)象的文章13實驗結(jié)果表明：該結(jié)構(gòu)的透過光強不僅遠高于經(jīng)典衍射理論計算結(jié)果，而且大于按照小孔所 占金屬表面的面積比的計算結(jié)果，這就意味著照在小孔之間的光也能通過某種

7、方式耦合到金 屬膜的另一邊.1.4 SPPs在納米光刻中的研究由于光學(xué)衍射極限的存在，傳統(tǒng)的光學(xué)刻寫方法無法刻出超衍射極限的精細結(jié)構(gòu)。盡管 光投影刻蝕術(shù)(optical projection lithgraphy)可以通過采用更短的波長光源來達到上述目的,然而也會引發(fā)一系列相關(guān)的問題：例如，要求研發(fā)新的光源，新的光敏層材料，相關(guān)的光子學(xué)等等，這些問題都有待解決。目前，利用SP2. 課題應(yīng)用前景2.1 SPPs 波導(dǎo)在這方面，武漢大學(xué)汪國平教授領(lǐng)導(dǎo)的研 在表面等離子帶隙結(jié)構(gòu)中引人線缺陷即可引SPPs波導(dǎo)是實現(xiàn)納米光子回路的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上人們可以進一步研制集成于金屬表面 的各種SPPs器件，從而

8、構(gòu)筑等離子體光子芯片。 究小組的研究成果較為突出，并著有相關(guān)著作。導(dǎo)SPPs的傳播，通過設(shè)計缺陷的形狀可以實現(xiàn)SPPs的直線波導(dǎo)、彎曲波導(dǎo)以及分束波導(dǎo)等22。2.2 SPPs耦合器等離子體光子芯片具有輸出輸入端口，這些端口通過SPPs耦合器，可以避免將遠場光直接耦合到SPPs芯片中的納米光電子器件上。一個優(yōu)選的方案是將半球形狀的金屬納米顆 粒與基于納米點的 SPPs波導(dǎo)整合一起。當(dāng)聚焦的 SPPs饋送進耦合器中，傳播距離可達 4.0um。2.3 SPPs新型光源SPPs引發(fā)的電磁場，不僅能夠限制光波在亞波長尺寸結(jié)構(gòu)中的傳播， 而且能夠產(chǎn)生和操 控從光頻到微波波段的電磁輻射。 在有源光學(xué)材料附近

9、附著金屬結(jié)構(gòu)， 在金屬結(jié)構(gòu)表面誘導(dǎo) 產(chǎn)生SPPs使得有源光學(xué)材料周圍的光子態(tài)密度發(fā)生顯著變化，從而改變有源光學(xué)材料的 自發(fā)輻射壽命，減弱非輻射過程對于其發(fā)光過程的影響，進而提高發(fā)光效率。2.4 SPPs納米光刻蝕技術(shù)在目前加工制作電子電路的工藝水平下，最小的特征尺寸大約為50nm.然而新型的光刻蝕術(shù)要求能夠加工納米尺度的集成回路.2.5 SPR傳感器利用表面等離子體共振(Surface P lasm on reso nan ce, SP)現(xiàn)象研制光化學(xué)傳感器已引起人們的極大興趣，正成為傳感器領(lǐng)域的研究前沿。光纖SPR傳感器在傳感機理上主要有兩類：一是利用倏逝場效應(yīng)，通過腐蝕或研磨掉包層后在纖芯

10、表面鍍金屬膜，或在錐形光纖表 面鍍金屬膜；二是在纖芯內(nèi)寫入長周期光柵，將芯內(nèi)的模式在某一特定波長轉(zhuǎn)化成包層高階 模，使高階模與等離子體實現(xiàn)相位匹配。3. 存在的問題表面等離子體光子學(xué)提供了難得的新機遇?；诖藢W(xué)科的發(fā)展而有望研發(fā)出SPPs芯片,用作超低損耗的光子互連元件。利用SPPs元件或回路，可實現(xiàn)超密的光子功能器件中導(dǎo)波，深亞波長尺度的納米光刻蝕術(shù)，應(yīng)用超透鏡實現(xiàn)突破衍射極限的高分辨光學(xué)成像，研發(fā)出優(yōu)良性能的新型光源等等。為了實現(xiàn)這些目標(biāo)，需要在這個嶄新的學(xué)科領(lǐng)域中，開展更廣泛深 入的研究。在未來的歲月里，將要面對著各種挑戰(zhàn)，例如:(1)制作出傳播損耗可以與傳統(tǒng)的波導(dǎo)相比擬的光頻段亞波長尺

11、寸的金屬線回路;(2)研發(fā)高效率的SPPs有機和無機材料的LEDs具有輻射可調(diào)性;13(3)通過對SPR施加電光、全光和壓電調(diào)制，以及利用增益機制，實現(xiàn)自主控制;(4)制作二維SPPs光學(xué)原型元件，例如，納米透鏡、納米光柵、納米耦合器、納米調(diào)制元件等，將光纖輸出信號直接耦合到 SPPs回路中去;(5)研發(fā)深亞波長的SPPs納米光刻蝕術(shù);(6)深入地探究SPPs中新效應(yīng)的物理機制。研究展望SPPs在納米光子學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域中顯示出的巨大價值己為各領(lǐng)域人士所共識，未來SPPs 的研究將向多維化、實用化的方向發(fā)展。但 SPPs的研究在我國起步較晚，如何降低 SPPs納米波導(dǎo)傳輸損耗及如何利用SPPS設(shè)計制

12、備各種新型、簡便、高效的功能納米光學(xué)結(jié)構(gòu)與器件,正是未來需要鉆研的課題。只有兩者的不斷進步和發(fā)展,SPPs納米光子器件才能具有真正的實用價值，從而為實現(xiàn)納米全光集成這一美好前景打下堅實的基礎(chǔ)。參考文獻陳艷坤，韓偉華，李小明.突破衍射極限的表面等離子激元J.光電技術(shù)應(yīng)用，2011,26(4).王慶艷，王佳，張書練.基于金屬表面等離子激元控制光束的新進展J 光學(xué)技術(shù)，2009,35(2):163-174.Gramot nev D. K ,P ile D. F. P. Sin gle-mode subwavele ngth waveguide with cha nnel p lasm on-po l

13、arit ons in triangular grooves on a metal surfaceJ Applied Physics Letters, 2004,85(26):6323-6325.Moreno E, Garcia-Vidal F J, Rodrigo S G. Channel p lasm on-po larit ons: modal sha pe, dis pcrsion, and lossesJ. Op tics Letters, 2006, 31(23):3447-3449.Pile D E P, Gramot nev D K. Plasm onic subwavele

14、ngth waveguides: n ext to zero losses at shar p ben dsJ. Op tics Leters, 2005, 30(10):1186-1188.Boltasscva A, Volkov V S, Nielse n R B, et al. Trian gular metal wedges for subwavele ngthp lasm on-po larit on guidi ng at telecom wavele ngthsJ. Op tics Exp ress,2008,16(8):5252-5260.Maier S A, Kik P G,

15、 Atwater H A. observati on of coupled p lasm on-po larit on modes in Au nano p article chain waveguides of different lengths: Estimation of waveguide lossJ. Applied PhysicsLetters,2002,81(9):1714-1716.Halas N J, Kni ght M W, Grady N K, et al. Na nop article mediated cou pling of light in to a nano w

16、ireJ . Na no Letters,2007,7(8):2346-2350.Maier S A, Kik P G, Atwater H A, et al, Local detect ion of electromag netic en ergy transport below the diffraction limit in metal nano p article p lasm on waveguides. Nature Materials, 2003,2(4):229-232.10 Zhang X, oulton R F, Sorger V J, et al, A hybrid pl

17、asmonic waveguide for subwavelength confinement andIo ng-ra nge prop agatio nJ. Nature P hot onics, 2008,2(8):496-500.11 Ozbay E. Plasm onics: Merging p hot onics and electro nics at nano scale dime nsion sJ. Science,2006,311(5758):189-193.12 J R Krenn, A Dereux, J C Weeber, Squeezing the Optical Ne

18、ar-Field Zone by Plasmon Coupling ofMetallic Na nop articles. Phy Rev Lett, 1999,82(12).13 Ebbesen T W, Lezec H J, Ghaemi H F et al. Nature, 1998, 391:6671234789141516171819202122D.長沙：中南大學(xué)，2009.物理，NO.7, 2005.天津工程師范學(xué)院學(xué)報.vol 20，No.4，2010.Fang N, Lee H, Sun C, et al. subdiffract ion limited op tical im

19、ag ing with a silver sup erle nsJ. Science, 2005, 308(5721):534-537汪國平.表面等離子體激元納米集成光子器件J.物理，2006,35(6):502-507S I Bozhevo Inyi and et al.Cha nnel p lasm on subwavele ngth waveguide components in cludi ngin terferometers and ring reson ators. Nature, vol, 440, p.508, 2006Leilei Yin, Vitali K, et al.

20、Subwavele ngth Focus ing and Guidi ng of Surface Plasm ons. Nano lett 2005, 5, 1399汪毅，周治平.基于表面等離子體激元的硅基激光器J.激光與光電子學(xué)進展，2008, 45(2):26-26Kik P G, Maier S A, Atwater H A. P hys. Rev. B, 2004, 69:045418 劉瓊.周期性結(jié)構(gòu)的表面等離子體共振性能研究 張斗國，王沛.表面等離子體亞波長光學(xué)前沿進展 李娜,倪曉昌,王彬.表面等離子體激元研究進展開題報告問題提出的背景1. 背景介紹互聯(lián)網(wǎng)和計算機的速度越來越快、功

21、能越來越強大，但是電子線路的發(fā)熱和速度嚴(yán)重限 制了計算機的運行。用光子替代電子，光子不會像電子那樣產(chǎn)生大量熱量，并且隨著頻率的升高具有很高的數(shù)據(jù)傳輸能力。光子集成電路比傳統(tǒng)的電子集成電路具有很多明顯優(yōu)勢，包 括信號屏蔽性、速度更快、發(fā)熱更少、帶寬更大、串?dāng)_更低等。然而，光子集成電路需要在 納米級尺度內(nèi)控制光子，離桌面計算機和其他口常應(yīng)用還相差甚遠。 這對納米光子學(xué)的研究傳導(dǎo)和復(fù)用,提出了新的挑戰(zhàn)：一方面要求光學(xué)器件尺寸高度小型化，便于納米應(yīng)用和集成；另一方面要 求能夠在納米尺度下控制光場，實現(xiàn)在納米尺度內(nèi)的聚焦、變換、耦合、折射、 以及實現(xiàn)高準(zhǔn)直、超衍射的新型光源和各種納米光子學(xué)器件 。2.

22、本研究的意義和目的然而,半導(dǎo)體器件的性能、速度以及易用依賴于它們在外部器件上的小型化與集成化。當(dāng)代電子設(shè)備的信息集成處理和傳感正在迅速達到理論上的速度和帶寬的限制, 益嚴(yán)重的問題，阻礙了現(xiàn)代科技中許多領(lǐng)域的進一步發(fā)展。 最有前途的一種解決方案是用光 信號取代作為信息載體的電信號。本課題主要通過軟件仿真實驗得到復(fù)合楔形波導(dǎo) 的各種物理 參數(shù)，如傳播 長度(propagation length)、等效折射率(refractive index)、光場大小(mode confinemen)。最后通過優(yōu)化，改變復(fù)合波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，為之后進一步的研究奠定基礎(chǔ)。論文的主要內(nèi)容和技術(shù)路線1.主要研究內(nèi)容本課題將探

23、索表面等離子體光子的特性，將研究利用SPP特性設(shè)計不同結(jié)構(gòu)的納米波導(dǎo)。本項目將結(jié)合電磁理論與光學(xué)理論， 研究不同結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的導(dǎo)光特性和物理特性， 利用SPP蟲 有的性質(zhì)設(shè)計高效能的波導(dǎo)并進行仿真分析和優(yōu)化，為該領(lǐng)域的應(yīng)用積累理論依據(jù)。2.技術(shù)路線本課題擬采用comsOL為仿真軟件，計劃對SPP復(fù)合楔形波導(dǎo)進行一系列的仿真與優(yōu)化設(shè)計。首先根據(jù)之前查閱的相關(guān)文獻資料，對前人設(shè)計的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進行仿真驗證。如下各 圖:Cladding 用怡圖一 IMI結(jié)構(gòu)0r圖二復(fù)合WPF波導(dǎo)驗證后，我們提出一種新型的復(fù)合楔形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，如下圖:air對其進行建模仿真，得到相應(yīng)的一組物理參數(shù)。與前人成果比對，并進行優(yōu)化，最

24、終得到高 性能的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)。3. 可行性分析圖書館以及我校現(xiàn)有的豐富的電子網(wǎng)絡(luò)資源，可以提供足夠的實驗參數(shù)等本課題實驗所 需的相關(guān)信息。COMSOL Multi physics是一款大型的高級數(shù)值仿真軟件。廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的科學(xué)研 究以及工程計算，被當(dāng)今世界科學(xué)家稱為“第一款真正的任意多物理場直接耦合分析軟件” 模擬科學(xué)和工程領(lǐng)域的各種物理過程，COMSOL Multi physics以高效的計算性能和杰出的多 場雙向直接耦合分析能力實現(xiàn)了高度精確的數(shù)值仿真。研究計劃進度安排及預(yù)期目標(biāo)1.進度安排第1-4周：進行文獻查找和整理，文獻閱讀和翻譯，了解SPP的研究進展，完成開題報告撰寫;第5-8周

25、：掌握COMSO&真軟件的基本用法，對前人提出的結(jié)構(gòu)進行建模仿真，提出我們 的新型結(jié)構(gòu)并進行仿真； 第9-12周：分析實驗結(jié)果，得出物理參數(shù)，分析并進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；第13-15周：進行仿真測試資料和數(shù)據(jù)整理，完成畢業(yè)論文撰寫和答辯。2.預(yù)期目標(biāo)在了解SPP的基本特性之后，研究作為主要應(yīng)用的復(fù)合波導(dǎo)的導(dǎo)波特性及物理特性。學(xué) 會使用COMSC軟件對需要的結(jié)構(gòu)進行建模仿真，提出新型的結(jié)構(gòu)進行仿真并且優(yōu)化，為后 期的研究提供理論基礎(chǔ)。參考文獻1234陳艷坤，韓偉華，李小明.突破衍射極限的表面等離子激元J.光電技術(shù)應(yīng)用，2011,26(4).王慶艷，王佳，張書練.基于金屬表面等離子激元控制光束的新

26、進展J 光學(xué)技術(shù)，2009,35(2):163-174.Dmitri K. Gramot nev and Sergey I. Bozhevo In yi. Plasm onics bey ond the diffractio n limit. Nature Phot onics, vol 4, Feb 2010,83-91.Yushe ng Bian, Zheng Zheng, Xin Zhao, Symmetric hybrid surface p lasm on po larit on waveguides for 3Dp hoto nic in tegratio n. Op tics E

27、xp ress, Vol 17, No.23, Nov 2009.5 Yushe ng Bia n, Zheng Zheng, Ya Liu, Hybrid wedge p lasm on po larit on waveguide with good fabricati on-error-tolera nee for ultra-dee p-subwavele ngth mode confin eme nt. Op tics Exp ress, Vol.19, No.23, Nov 2011.文獻翻譯和原稿突破衍射極限的表面等離子體光子學(xué)Dmitri K. Gramot nev and Se

28、rgey I. Bozhev olnyi摘要近幾年，基于SPP （表面等離子體激元）的納米光子學(xué)的研究快速興起。介質(zhì)的交界面?zhèn)鞑?，而且以超越衍射極限的微小尺度被金屬納米結(jié)構(gòu)導(dǎo)行。對于高度集成的光子信號處理系統(tǒng)的設(shè)計，納米分辨率的光學(xué)成像技術(shù)和傳感器的設(shè)計而言,這種不尋常的特性有著獨特的前景。這篇綜述總結(jié)了等離子體導(dǎo)波的基本原理和主要成就,并詳細介紹了亞波長表面等離子體波導(dǎo)、無源和有源納米表面等離子體器件、光場探測和操縱、納米尺度光學(xué)聚焦的配置等多個領(lǐng)域的最新進展。 最后，討論了納米光子器件和電路的潛在發(fā)展和應(yīng)用，如光信號處理，納米光學(xué)器件以及近場納米級分辨率顯微鏡的制造。刖言半導(dǎo)體器件的性能、速度以及易用依賴于它們在外部器件上的小型化與集成化。然而,當(dāng)代電子設(shè)備的信息集成處理和傳感正在迅速達到理論上的速度和帶寬的限制，這是一個日益嚴(yán)重的問題，阻礙了現(xiàn)代科技中許多領(lǐng)域的進一步發(fā)展。