本科生畢業(yè)論文_13350new

1、本本 科科 生生 畢畢 業(yè)業(yè) 論論 文文文獻綜述與開題報告文獻綜述與開題報告姓名與學號姓名與學號 * *指導教師指導教師 * 年級與專業(yè)年級與專業(yè) 0909 級電子科學與技術級電子科學與技術 或或 0909 級信息級信息與通信工程與通信工程 所在學院所在學院 信息與電子工程學系信息與電子工程學系一、題目一、題目：納米尺寸雙納米尺寸雙 V V 型表面等離激元波導導光特性研究型表面等離激元波導導光特性研究 二、指導教師對文獻綜述和開題報告的具體內(nèi)容要求：二、指導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：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構波導的文獻，對之前已發(fā)表的

2、各要求詳細閱讀表面等離激元各種幾何結構波導的文獻，對之前已發(fā)表的各種結構的波導做一個歸納總結，并比較各自的傳輸長度和模場大小，作出文獻種結構的波導做一個歸納總結，并比較各自的傳輸長度和模場大小，作出文獻綜述。綜述。對開題報告的要求：對開題報告的要求：要求學生對表面等離激元和契形波導和凹槽的相關背景知識有深入理解，要求學生對表面等離激元和契形波導和凹槽的相關背景知識有深入理解，對目前已發(fā)表的各種契形波導有系統(tǒng)的歸納，能指出存在的不足和未來發(fā)展的對目前已發(fā)表的各種契形波導有系統(tǒng)的歸納，能指出存在的不足和未來發(fā)展的方向。方向。指導教師（簽名）指導教師（簽名） 年年 月月 日日目目 錄錄文獻綜述文獻綜

3、述.1一、一、背景介紹背景介紹.11. 當前集成技術的發(fā)展瓶頸當前集成技術的發(fā)展瓶頸.12. 表面等離子體激元的性質(zhì)表面等離子體激元的性質(zhì).13. 表面等離子體波導表面等離子體波導.1二、二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .11.1.研究方向及進展研究方向及進展 .12.2.課題應用前景課題應用前景 .23.3.存在的問題存在的問題 .3三、三、研究展望研究展望 .4開題報告開題報告.6一、一、問題提出的背景問題提出的背景 .61.1.背景介紹背景介紹 .62.2.本研究的意義和目的本研究的意義和目的 .6二、二、論文的主要內(nèi)容和技術路線論文的主要內(nèi)容和技術路線 .61.1.主要研究內(nèi)容主要研

4、究內(nèi)容 .62.2.技術路線技術路線 .63.3.可行性分析可行性分析 .8三、三、研究計劃進度安排及預期目標研究計劃進度安排及預期目標 .81.1.進度安排進度安排 .82.2.預期目標預期目標 .8文獻翻譯和原稿文獻翻譯和原稿.101文獻綜述文獻綜述指導老師：*系 *班 姓名 學號一、一、 背景介紹背景介紹1. 當前集成技術的發(fā)展瓶頸當前集成技術的發(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

5、信號屏蔽性、速度更快、發(fā)熱更少、帶寬更大、串擾更低等。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用還相差甚遠。這對納米光子學的研究提出了新的挑戰(zhàn)：一方面要求光學器件尺寸高度小型化，便于納米應用和集成；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、傳導和復用，以及實現(xiàn)高準直、超衍射的新型光源和各種納米光子學器件。12. 表面等離子體激元的性質(zhì)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：局域表面等離子體激元（lo

6、calized 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；沿金屬表面由于歐姆熱效應，只能傳播有限距離。3. 表面等離子體波導表面等離子體波導在納米光子學中，波導用來傳導光，扮演電纜或線路的角色，是實現(xiàn)納米光子回路的基礎。利用表面等離子體波導作為光子互連元件，具

7、有無 RC 延遲和衍射極限限制的優(yōu)勢。SPPs 波導結構的種類有溝槽、楔形、金屬納米條、納米線、納米顆粒，矩形間隙，狹縫等。 二、二、 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21. 研究方向及進展研究方向及進展表面等離子體是一門新興學科，我國對于此方面的研究起步較晚。當前表面等離子體亞波長的光學研究有如下進展和熱點問題。1.1 SPPs 光場的探測方法研究光場的探測方法研究目前 SPPs 的性質(zhì)和金屬表面結構之間的關系不是很清楚，而與 SPPs 相關的器件就是利用 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

8、及到亞波長尺度的結構，因此傳統(tǒng)的光學檢測手段無法探測 SPPs 的傳播和分布。1.2 SPPs 的帶隙結構的研究的帶隙結構的研究近幾年來光子晶體的研究成為光子學的一個熱點問題。這些有關光子晶體的器件主要是由一些半導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構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構，金屬表面上波長量級的周期性結構可以用來改變在其上傳播的 SPPs 的性質(zhì)。1.3 金屬微孔結構和狹縫陣列結構的研究金屬微孔結構和狹縫陣列結構的研究1998 年，Ebbesen 在 Nature 上發(fā)表了亞波長金屬小孔陣列結構的異常透過現(xiàn)象的文章13，實驗結果表明

9、：該結構的透過光強不僅遠高于經(jīng)典衍射理論計算結果，而且大于按照小孔所占金屬表面的面積比的計算結果，這就意味著照在小孔之間的光也能通過某種方式耦合到金屬膜的另一邊 1.4 SPPs 在納米光刻中的研究在納米光刻中的研究由于光學衍射極限的存在，傳統(tǒng)的光學刻寫方法無法刻出超衍射極限的精細結構。盡管光投影刻蝕術(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)一系列相關的問題：例如，要求研發(fā)新的光源，新的光敏層材料，相關的光子學等等，這些問題都有待解決。目前，利用 SP2. 課題應用前景課題應用前景2.1 SPPs 波導波導SPPs 波

10、導是實現(xiàn)納米光子回路的基礎，在此基礎上人們可以進一步研制集成于金屬表面的各種 SPPs 器件，從而構筑等離子體光子芯片。在這方面，武漢大學汪國平教授領導的研究小組的研究成果較為突出，并著有相關著作。在表面等離子帶隙結構中引人線缺陷即3可引導 SPPs 的傳播，通過設計缺陷的形狀可以實現(xiàn) SPPs 的直線波導、彎曲波導以及分束波導等22。2.2 SPPs 耦合器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 波導整合一起。當聚焦的 SPPs 饋

11、送進耦合器中，傳播距離可達4.0um。2.3 SPPs 新型光源新型光源SPPs 引發(fā)的電磁場，不僅能夠限制光波在亞波長尺寸結構中的傳播，而且能夠產(chǎn)生和操控從光頻到微波波段的電磁輻射。在有源光學材料附近附著金屬結構，在金屬結構表面誘導產(chǎn)生 SPPs，使得有源光學材料周圍的光子態(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 納米光刻蝕技術納米光刻蝕技術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 5Onm然而新型的光刻蝕術要求能夠加工納米尺度的集成回路 2.5 SPR 傳感器傳感器利用表面等離子體共振（S

12、urface Plasmon resonance, SPR）現(xiàn)象研制光化學傳感器已引起人們的極大興趣，正成為傳感器領域的研究前沿。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，通過腐蝕或研磨掉包層后在纖芯表面鍍金屬膜，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. 存在的問題存在的問題表面等離子體光子學提供了難得的新機遇?；诖藢W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波，深亞波長尺度的納米光刻蝕術，應用超透

13、鏡實現(xiàn)突破衍射極限的高分辨光學成像，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，需要在這個嶄新的學科領域中，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)的波導相比擬的光頻段亞波長尺寸的金屬線回路；4（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；（3）通過對 SPP、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；（6）深

14、入地探究 SPPs 中新效應的物理機制。三、三、 研究展望研究展望SPPs 在納米光子學應用領域中顯示出的巨大價值己為各領域人士所共識，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 納米波導傳輸損耗及如何利用 SPPS 設計制備各種新型、簡便、高效的功能納米光學結構與器件，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。參考文獻參考文獻1陳艷坤，韓偉華，李小明. 突破衍射極限的表面等離子激元J. 光電技術應用，2011,26(4).2王

15、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光學技術，2009,35(2):163-174.3Gramotnev D. K ,Pile D. F. P. Single-mode subwavelength waveguide with channel plasmon-polaritons in triangular grooves on a metal surfaceJApplied Physics Letters, 2004,85(26):6323-6325.4Moreno E, Garcia-Vidal F J, Rodrigo S G. Channel plasmon-po

16、laritons: modal shape, dispcrsion, and lossesJ. Optics Letters, 2006, 31(23):3447-3449.5Pile D E P, Gramotnev D K. Plasmonic subwavelength waveguides: next to zero losses at sharp bendsJ. Optics Leters, 2005, 30(10):1186-1188.6Boltasscva A, Volkov V S, Nielsen R B, et al. Triangular metal wedges for

17、 subwavelength plasmon-polariton guiding at telecom wavelengthsJ. Optics Express,2008,16(8):5252-5260.7Maier 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 lossJApplied Physics Letters,2002,

18、81(9):1714-1716.8Halas N J, Knight M W, Grady N K, et al. Nanoparticle mediated coupling of light in to a nanowireJNano Letters,2007,7(8):2346-2350.9Maier 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

19、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 propagationJ. Nature Photonics, 2008,2(8):496-500.11 Ozbay E. Plasmonics: Merging photonics and electronics at nanoscale dimensionsJ. S

20、cience, 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).513 Ebbesen T W, Lezec H J, Ghaemi H F et al. Nature, 1998, 391:66714 Fang N, Lee H, Sun C, et al. subdiffraction limited

21、optical imaging with a silver superlensJ. Science, 2005, 308(5721):534-53715 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):502-50716 S I Bozhevolnyi and et al.Channel plasmon subwavelength waveguide components including interferometers and ring resonators. Nature, vol, 440, p.508, 200617 Leilei Yin, Vitali K,

22、 et al. Subwavelength Focusing and Guiding of Surface Plasmons. Nano lett 2005, 5, 139918 汪毅，周治平.基于表面等離子體激元的硅基激光器J.激光與光電子學進展，2008，45(2):26-2619 Kik P G, Maier S A, Atwater H A. Phys. Rev. B, 2004, 69:04541820 劉瓊.周期性結構的表面等離子體共振性能研究D.長沙：中南大學，200921 張斗國,王沛.表面等離子體亞波長光學前沿進展.物理，No.7，2005. 22 李娜,倪曉昌,王彬.表面等

23、離子體激元研究進展.天津工程師范學院學報.vol 20，No.4，2010.6開題報告開題報告一、一、 問題提出的背景問題提出的背景1.1. 背景介紹背景介紹互聯(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、串擾更低等。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用還相差甚遠。這對納米光子學的研究提出了新的挑戰(zhàn)：一方面要求光學器件尺寸高度小型

24、化，便于納米應用和集成；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、傳導和復用，以及實現(xiàn)高準直、超衍射的新型光源和各種納米光子學器件1。2.2. 本研究的意義和目的本研究的意義和目的半導體器件的性能、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，當代電子設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，這是一個日益嚴重的問題，阻礙了現(xiàn)代科技中許多領域的進一步發(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合楔形波導的各種物理參數(shù)，如傳播長度（propagation length） 、等效

25、折射率（refractive index） 、光場大小（mode confinement） 。最后通過優(yōu)化，改變復合波導的結構，為之后進一步的研究奠定基礎。二、二、 論文的主要內(nèi)容和技術路線論文的主要內(nèi)容和技術路線1.1. 主要研究內(nèi)容主要研究內(nèi)容本課題將探索表面等離子體光子的特性，將研究利用 SPP 特性設計不同結構的納米波導。本項目將結合電磁理論與光學理論，研究不同結構波導的導光特性和物理特性，利用SPP 獨有的性質(zhì)設計高效能的波導并進行仿真分析和優(yōu)化，為該領域的應用積累理論依據(jù)。2.2. 技術路線技術路線7本課題擬采用 COMSOL 作為仿真軟件，計劃對 SPP 復合楔形波導進行一系列的

26、仿真與優(yōu)化設計。首先根據(jù)之前查閱的相關文獻資料，對前人設計的波導結構進行仿真驗證。如下各圖：圖一 IMI 結構4圖二 復合 WPP 波導5驗證后，我們提出一種新型的復合楔形波導結構，如下圖：8對其進行建模仿真，得到相應的一組物理參數(shù)。與前人成果比對，并進行優(yōu)化，最終得到高性能的導波結構。3.3. 可行性分析可行性分析圖書館以及我校現(xiàn)有的豐富的電子網(wǎng)絡資源，可以提供足夠的實驗參數(shù)等本課題實驗所需的相關信息。COMSOL Multiphysics 是一款大型的高級數(shù)值仿真軟件。廣泛應用于各個領域的科學研究以及工程計算，被當今世界科學家稱為“第一款真正的任意多物理場直接耦合分析軟件”。模擬科學和工程

27、領域的各種物理過程，COMSOL Multiphysics 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。三、三、 研究計劃進度安排及預期目標研究計劃進度安排及預期目標1.1. 進度安排進度安排第 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：掌握 COMSOL 仿真軟件的基本用法，對前人提出的結構進行建模仿真，提出我們的新型結構并進行仿真；第 9-12 周：分析實驗結果，得出物理參數(shù)，分析并進行結構優(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。2.2. 預期目標預期目標9

28、在了解 SPP 的基本特性之后，研究作為主要應用的復合波導的導波特性及物理特性。學會使用 COMSOL 軟件對需要的結構進行建模仿真，提出新型的結構進行仿真并且優(yōu)化，為后期的研究提供理論基礎。參考文獻參考文獻1陳艷坤，韓偉華，李小明. 突破衍射極限的表面等離子激元J. 光電技術應用，2011,26(4).2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光學技術，2009,35(2):163-174.3Dmitri K. Gramotnev and Sergey I. Bozhevolnyi. Plasmonics beyond the diffraction limit. Nat

29、ure Photonics, vol 4, Feb 2010,83-91.4Yusheng Bian, Zheng Zheng, Xin Zhao, Symmetric hybrid surface plasmon polariton waveguides for 3D photonic integration. Optics Express, Vol 17, No.23, Nov 2009.5Yusheng Bian, Zheng Zheng, Ya Liu, Hybrid wedge plasmon polariton waveguide with good fabrication-err

30、or-tolerance for ultra-deep-subwavelength mode confinement. Optics Express, Vol.19, No.23, Nov 2011.10文獻翻譯和原稿文獻翻譯和原稿突破衍射極限的表面等離子體光子學Dmitri K. Gramotnev and Sergey I. Bozhevolnyi摘要摘要近幾年，基于 SPP（表面等離子體激元）的納米光子學的研究快速興起。電磁波沿金屬介質(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構導行。對于高度集成的光子信號處理系統(tǒng)的設計，納米分辨率的光學成像技術和傳感器的設計而言，這種不尋常的特性有著獨特的前景。這篇綜述總結了等離子體導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、無源和有源納米表面等離子體器件、光場探測和操縱、納米尺度光學聚焦的配置等多個領域的最新進展。最后，討論了納米光子器件和電路的潛在發(fā)展和應用，如光信號處理，納米光學器件以及近場納米級分辨率顯微鏡的制造。前言前言半導體器件的性能、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，當代電子設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，這是一個日益嚴重的問題，阻礙了現(xiàn)代科技中許多領域的進一步發(fā)展。最有前途的一種解決方