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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
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
背景介绍
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]
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(localizedsurfaceplaons,LSPs)和表面等离子体极化激元(surfaceplaonpolaritons,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.
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.
国内外研究现状
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.
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.
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.
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.
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(opticalprojectionlithgraphy)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
课题应用前景
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,并着有相关着作.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].
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.
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着变化,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.
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.
SPR传感器
利用表面等离子体共振(SurfacePlaonresonance,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.
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.
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.
域的各种物理过程,COMSOLMultiphysics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.
研究计划进度安排及预期目标
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.
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.