（无线电物理专业论文）纳米尺度周期性金属结构异常光传输现象的fdtd数值分析.pdf

山东大学博+ 学位论文 摘要 近二十年来，随着纳米科技的发展和近场光学显微镜的发明，光电子领域 正经历一场前所未有的巨大变革，新的交叉学科和研究方向不断涌现。金属材 料由于其独特的物理特性引起了人们越来越多的关注，并开创了一个全新的研 究学科：等离激元学。由于金属的介电系数在可见光和红外波段为负数，当光 波照射到金属和电介质的交界面时会引发一种独特的表面波传播现象：电磁场 被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，这就是表面等离激元现象。由于 表面等离激元对于材料、光波的入射角度和波长十分敏感，它已经在生物、化 学检测领域大量应用。近年来，表面等离激元( s e p ) f l j 传统的检测领域向光波导 领域发展已成为新的趋势。由于表面等离激元的强局域特性可以突破衍射极限、 减小拐角散射并且在纳米尺度上进行传播，有可能制造出亚波长的光学器件并 实现电路与光路的一体化。另外周期性放置的金属结构由于结构间电磁波的相 互作用，在适当的条件下透光效果大大增强，甚至会获得大于1 的透光效率。 光子晶体与金属材料的结合为人们控制光和传导光提供了新的思路。 由于光学器件的制造是一件十分费时、费力而且昂贵的过程，人们希望通 过理论分析和数值仿真来加速设计过程和降低开发成本。无论是光子晶体还是 纳米金属结构都具有很复杂的几何结构，人们已经无法应用解析方法对 m a x w e l l 方程组进行精确求解。因此，用数值方法对m a x w e l l 方程组进行精确 求解就变得势在必行。时域有限差分( f d t d ) 方法在微波和光学仿真中被大量应 用。由于f d t d 方法直接基于m a x w e l l 方程组，各个参量都具有明确的物理意 义，因此f d t d 仿真结果是非常精确的。同时，f d t d 方法的时域递推特点可 以方便的给出电磁场的时间演变过程，并且在计算机上用伪色彩的方式显示， 这种电磁场的可视化清楚的显示了物理过程，便于分析和设计。理论上只需要 设置空间各点的参数，就可以构造任意形状、任意材料的目标，具有很强的通 用性。 本论文首先对f d t d 算法中几个关键问题进行了讨论，对修正d r u d e 模型 的f d t d 时域迭代公式进行了改进，并将该算法应用到周期性纳米金属颗粒结 山东大学博士学位论文 构异常光传输( e o t ) 的f d t d 仿真分析；然后在分析金属结构电磁波传播的基 础上将波导阵列方法引入e o t 研究，并结合f d t d 仿真对一维金属平板狭缝阵 列中的电磁波传播情况进行了详细讨论。本论文的主要内容如下： 1 在论文的第一章对研究背景和数值仿真方法作了简单介绍。 本章首先介绍了光子晶体和表面等离激元的概念以及e o t 的研究进展 情况。然后简要介绍了目前光器件仿真中常用的四种数值分析方法：有限元 法、平面波展开法、光束传播法和时域有限差分法，并比较了各种方法的优 缺点。最后对金属材料的色散模型进行了介绍。 2 在论文的第二章详细讨论了f d t d 方法中的几个关键问题，并对金属色散 模型的( 1 i d ) 2 t d 算法进行了改进。 在本章的开始部分对f d t d 基本算法进行讨论。首先介绍了非色散介质 的f d t d 算法的中心差分迭代公式，然后对论文中涉及到的f d t d 算法中 的p m l 吸收边界条件、周期性边界条件、激励源的设置、近远场变换和 数值稳定性等相关内容进行了讨论。在本章的第二部分对金属色散模型的两 种f d t d 实现方法进行了讨论。并在l u b b e r s 的一维等离子体d r u d e 模型 ( f d ) 2 t d 算法的基础上进行算法改进，应用于针对金属材料的修正d r u d e 模 型，并将该算法扩展n - 维t m 、t e 模式以及三维模式。 3 在论文的第三章应用f d t d 方法对金属颗粒及组合结构的光学特性进行了 分析。 本章首先介绍了金属材料的光学性质，讨论了s p p 的激发条件和实现 方法。然后讨论了纳米金属颗粒的局域化表面等离激元现象，并对金属颗粒 组合结构的近场和远场特性进行了研究。接下来对金属球壳及其阵列结构的 光学特性进行了仿真分析，仿真结果表明，通过改变结构尺寸和入射波长， 金属球壳阵列构成的共振腔中的电磁振荡将随之发生改变。可以通过选择合 适的参数来改变金属球壳阵列共振腔中的电磁场分布，进而达到操纵光的目 的。本章还仿真分析了金属球壳上的缺陷结构对球壳光学特性的影响，仿真 显示由于缺陷结构改变了球壳上的电荷分布，使其光学特性也发生了很大的 变化，更多的局域化表面等离激元( l s p ) 模式被激发出来。在本章的最后对 f d t d 仿真中的“伪增强效应”进行了讨论。 山东大学博士学位论文 4 在论文的第四章首次将波导阵列方法应用于金属平板狭缝阵列的异常光传 输研究，并用f d t d 方法进行了验证。 本章首先简要介绍了当前主流的e o t 理论：表面等离激元耦合理论和 复合衍射消逝波模型理论以及法布里一珀罗共振模型理论。然后将波导阵列 方法引入金属平板狭缝阵列的异常透射现象研究。在分析了波导共振增强条 件和波导间的电磁耦合后提出了计算异常透射波长的公式，并应用f d t d 仿 真方法对计算结果进行了验证。结果表明波导阵列理论可以比较好的描述 e o t 的激发原理，同时发现e o t 在不同波段的激发机理截然不同：在波长 较长时，e o t 主要是由狭缝中的共振增强引起的；在波长与s p p 共振波长 相同时，e o t 则是由金属一介质交界面上的s p p 共振导致；当结构同时满 足第一种和第二种增强条件时同样会激发e o t ，这种混杂模式的电磁场分 布更加复杂。本章进一步研究了介质衬底对结构近场和远场特性的影响，仿 真表明衬底对结构的光学特性有较大的影响，可以进一步增强透光效率。另 外，在狭缝共振增强模式下选择适当的介质衬底厚度可以极大的降低入射光 经过狭缝阵列的散射，达到“光透明”的效果。 综上所述，本论文应用f d t d 方法较为全面的研究了周期性纳米金属结构 的异常光传输现象，在分析电磁波在金属结构中传播的基础上提出了一种新的 分析e o t 机理的方法，并应用f d t d 方法对不同的e o t 激发条件下的电磁场 传输情况进行仿真分析。 关键词： 表面等离激元；金属；时域有限差分法；表面波；周期性结构。 i i i 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t i nt h el a s td e c a d e s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a n o t e c h n o l o g ya n dt h ei n v e n t i o no f n e a r - f i e l do p t i c a lm i c r o s c o p y , a nu n p r e c e d e n t e dt r a n s f o r m a t i o ni s g o i n go ni n o p t o e l e c t r o n i c s ；m e a n w h i l e ，n e wi n t e r d i s c i p l i n a r ys c i e n c e sa n dr e s e a r c ho r i e n t a t i o n s f i l eb o r na l lt h et i m e m e t a l l i cm a t e r i a l sd r a wl o t so fa t t e n t i o n sf o rt h e i ru n i q u e p h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dan e ws u b j e c tn a m e dp l a s m o n i c si si n i t i a t e d f o rt h e r e a s o nt h a tt h ed i e l e c t r i cc o n s t a n to fm e t a li sn e g a t i v ei nt h ev i s i b l ea n di n f r a r e d r e g i o n ，w h e nl i g h tr a d i a t e so nt h em e t a l l i cs t r u c t u r e ，t h e r ei sas p e c i a lp h e n o m e n o n a p p e a r si nt h ei n t e r f a c eo fm e t a la n dd i e l e c t r i c ，i e ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d sa r e c o n f i n e da n de n h a n c e da r o u n dt h em e t a ls u r f a c e ，w h i c hi ss o c a l l e ds u r f a c e p l a s m o n ( s p ) a st h es pi ss e n s i t i v et om a t e r i a l s ，i n c i d e n ta n g l ea n dw a v e l e n g t h ，i t h a sb e e nw i d e l yu s e di nl o t so ff i e l d ss u c ha sb i o l o g i c a ld e t e c t i o na n dc h e m i c a l d e t e c t i o n i nt h el a s tf e wy e a r s ，t h es ph a sb e e ng r e a t l yd e v e l o p e df r o md e t e c t i o nt o l i g h t g u i d i n g t h es t r o n gc o n f m e m e n tp r o p e r t i e so ft h es pc o u l db r e a kt h r o u g ht h e d i f f r a c t i o nl i m i t ，r e d u c et h eb e n ds c a t t e r i n ga n dm a k el i g h tp r o p a g a t i o ni nt h e n a n o s c a l er e g i o n ，s oi tb e c o m e sp o s s i b l et of a b r i c a t es u b - w a v e l e n g t ho p t i c a ld e v i c e s a n dr e a l i z et h ei n t e g r a t i o no fo p t i c a lc i r c u i t sa n de l e c t r i cc i r c u i t s m o r e o v e r ，t h el i g h t t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yw o u l db eg r e a t l yi m p r o v e df o rt h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v e i n t e r a c t i o ni np e r i o d i cs t r u c t u r e s ；t h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yc o u l db eh i g h e rt h a n o n eo ns u i t a b l ec o n d i t i o n s t h ec o m b i n a t i o no ft h ep h o t o n i cc r y s t a la n dt h em e t a l s t r u c t u r ep r o v i d e san e ww a yf o rl i g h tc o n t r o la n dl i g h tg u i d i n g p e o p l ew a n tt os p e e du pt h ed e s i g np r o c e s sa n dr e d u c et h ed e v e l o p m e n tc o s t sb y t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , b e c a u s et h ef a b r i c a t i o no fo p t i c a l d e v i c e si sat i m e c o n s u m i n g ，l a b o r i o u sa n de x p e n s i v ep r o c e s s b o t hp h o t o n i cc r y s t a l a n dn a n o s c a l em e t a l l i cs t r u c t u r eh a v ec o m p l e xg e o m e t r y , t h e r e f o r ei ti sh a r dt o s o l v et h em a x w e l l se q u a t i o n se x a c t l yt h r o u g ht h em a t ha n a l y s i sm e t h o d s os o l v i n g t h em a x w e l l s e q u a t i o n sb y t h en u m e r i c a lm e t h o d i s i m p e r a t i v e t h e i v 山东大学博士学位论文 f i n i t e - d i f f e r e n c e t i m e d o m a i n ( f d t d ) n u m e r i c a lm e t h o d h a sb e e n w i d e l y e m p l o y e di nm i c r o w a v ea n do p t i c a ls i m u l a t i o n s t h ef d t dm e t h o di sd i r e c t l yb a s e d o nt h em a x w e l l se q u a t i o n s ，a n dt h ep a r a m e t e r sh a v ec l e a rp h y s i c a lm e a n i n g s s o t h ef d t ds i m u l a t i o ni sa c c u r a t e m e a n w h i l e ，t h et i m e d o m a i ni t e r a t i o nf e a t u r eo f t h ef d t dm e t h o dc o u l dd e n o t et h et i m ee v o l u t i o no ft h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d sa n d t h er e s u l t sc o u l db ed i s p l a y e db yp s e u d o c o l o ri nt h ec o m p u t e r t h ev i s u a l i z a t i o no f t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l de v o l u t i o ns h o w st h ep h y s i c a lp r o c e s sc l e a r l ya n de a s e st h e a n a l y s i sa n dd e s i g n t h e o r e t i c a l l y , w h i l et h ep a r a m e t e r so fa l ln o t e sa r ed e t e r m i n e d t h et a r g e t sw i t ha n ys h a p ea n dm a t e r i a lc o u l db ec o n s t r u c t e d s ot h ef d t dm e t h o d i sau n i v e r s a lt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r ，t h ef d t dm e t h o di se m p l o y e dt oa n a l y z et h ee x t r a o r d i n a r yo p t i c a l t r a n s m i s s i o n ( e o t ) o nt h ep e r i o d i cn a n o s c a l em e t a l l i cs t r u c t u r ea n dt h ew a v e g u i d e a r r a ym e t h o di s i n t r o d u c e dt o a n a l y z et h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v et r a n s m i s s i o no n m e t a lp l a n e sw i t hs l i ta r r a y t h em a i nc o n t e n ti sa sf o l l o w s ： 1 ab r i e fi n t r o d u c t i o na b o u tt h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dt h en u m e r i c a l m e t h o di nc h a p t e r1 t h ec o n c e p t sa n dr e s e a r c hp r o g r e s s e so fp h o t o n i cc r y s t a la n ds u r f a c ep l a s m o n a r ei n t r o d u c e da tt h eb e g i n n i n go ft h i sc h a p t e r t h e nf o u rm o s t l yu s e dn u m e r i c a l m e t h o d si no p t i c a ls i m u l a t i o n s ，w h i c ha r e t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，t h e p l a n ew a v ee x p a n s i o nm e t h o d ( p w m ) ，t h eb e a mp r o p a g a t i o nm e t h o d ( b p m ) a n dt h ef d t dm e t h o d ，a r ei n t r o d u c e d t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h e s em e t h o d sa r ea l s od i s c u s s e d a tl a s tt h ed i s p e r s i o nm o d e l so fm e t a la r e i n t r o d u c e d 2 d i s c u s s i o no ns e v e r a l k e ya s p e c t s o ft h ef d t dm e t h o di nd e t a i l i m p r o v e m e n to ft h e ( f d ) 2t da l g o r i t h mi nc h a p t e r2 t h ef i r s ts e c t i o ni sa b o u tt h eb a s i cf d t da l g o r i t h m t h ec e n t e r - d i f f e r e n c e i t e r a t i v ef o r m u l a eo fo r d i n a r yn o n - d i s p e r s i v em e d i u ma r es t u d i e df i r s t l y t h e n t h ep m la b s o r b i n gb o u n d a r yc o n d i t i o n ，p e r i o d i cb o u n d a r yc o n d i t i o n ，s o u r c e t y p e ，n e a r f a rf i e l dt r a n s f o r ma n dn u m e r i c a ls t a b i l i t ya r ed e s c r i b e d t h es e c o n d s e c t i o ni sc o n c e m e da b o u tt w ot y p e so ff d t di m p l e m e n t so ft h em e t a l v 山东大学博士学位论文 d i s p e r s i v em o d e l t h el u b b e r s ( f d ) 2 t da l g o r i t h mf o ro n e d i m e n s i o n a lp l a s m a d r u d em o d e li si m p r o v e da n da p p l i e dt ot h em o d i f i e dd r u d em o d e l t h e a l g o r i t h mi se x t e n d e dt ot w o - d i m e n s i o n a lt m ，t em o d ea n dt h r e e d i m e n s i o n a l s i m u l a t i o n 3 t h eo p t i c a lp r o p e r t ya n a l y s i so ft h em e t a l l i c p a r t i c l e sa n dt h ep a r t i c l e a r r a y sb yt h ef d t dm e t h o d i nc h a p t e r3 t h eo p t i c a l p r o p e r t i e s o fm e t a l ，t h es p pe x c i t a t i o nc o n d i t i o na n dt h e i m p l e m e n t a t i o na r ed i s c u s s e d t h el o c a l i z e ds u r f a c ep l a s m o n ( l s p ) o ft h e l l a n o s c a l em e t a l l i c p a r t i c l e s i ss t u d i e d ，t h e nt h en e a r - f i e l da n df a r - f i e l d p r o p e r t i e so ft h ep a r t i c l ea r r a y sa r ea n a l y z e d s i m u l a t i o n so nt h em e t a l l i cs h e l l a n ds h e l l a r r a y ss h o wt h a tt h ee l e c t r o m a g n e t i cr e s o n a n c ec h a n g e s i nt h e r e s o n a t o r , w h i c hi sc o n s i s t e do ft h em e t a l l i cs h e l la r r a y , 、析t l lt h ec h a n g e so ft h e s t n l c 血】r es i z ea n dt h es o u r c ew a v e l e n g t h t h el i g h tc o u l db ec o n t r o l l e db y c h a n g i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o ni nt h em e t a l l i cs h e l la r r a y t h e i n f l u e n c eo ft h ed e f e c to nt h em e t a l l i cs h e l lo nt h es h e l lo p t i c a lp r o p e r t i e si sa l s o s t u d i e d i ti ss h o w nt h a tt h ed e f e c tc h a n g e st h ec h a r g ed i s t r i b u t i o no nt h es h e l l ， s ot h eo p t i c a lp r o p e r t i e so ft h es 协】c t i 】r ec h a n g e sg r e a t l y , a n dm o r el s pm o d e s a r ee x c i t e d i nt h el a s ts e c t i o n ，t h e f a k ee n h a n c e m e n t i nt h ef d t ds i m u l a t i o ni s d i s c u s s e d 4 t h ew a v e g u i d ea r r a ym e t h o di si n t r o d u c e dt os t u d yt h ee x t r a o r d i n a r y o p t i c a lt r a n s m i s s i o nt h r o u g ht h em e t a lp l a t ew i t hs l i ta r r a y , a n d t h ef d t d m e t h o di se m p l o y e dt ov e r i f yt h er e s u l t si nc h a p t e r4 t h em a i n s t r e a me x t r a o r d i n a r yo p t i c a lt r a n s m i s s i o n ( e o dt h e o r i e s ，w h i c h a r et h es u r f a c ep l a s m o nc o u p l i n gt h e o r y , t h ed i f f r a c t e de v a n e s c e n tw a v em o d e l ( d e w m ) a n d t h ef a b r y - p e r o tr e s o n a n c e ( f p r ) m o d e l ，a r ei n t r o d u c e da tf i r s t t h e nt h ew a v e g u i d ea r r a ym e t h o di si n t r o d u c e dt os t u d yt h ee o tt h r o u g ht h e m e t a l p l a t ew i t h s l i ta r r a y a f t e rt h ea n a l y s i so ft h ew a v e g u i d er e s o n a n c e e n h a n c e m e n tc o n d i t i o na n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cc o u p l i n ga m o n gw a v e g u i d e s ，a f o r m u l ai sd e r i v e dt oc a l c u l a t et h ee o tw a v e l e n g t h e s a n dt h er e s u l t sa l e v e r i f i e db yt h ef d t ds i m u l a t i o n t h es i m u l a t i o nf i t sw e l lw i t ht h ew a v e g u i d e 山东大学博士学位论文 a r r a yt h e o r y w ef i n dt h a tt h ee o te x c i t a t i o nm e c h a n i s mi sd i f f e r e n ti nd i f f e r e n t w a v e l e n g t hr e g i o n s w h e nt h ew a v e l e n g t hi sl o n g e rt h a nt h es p pw a v e l e n g t h ，t h e e o ti sm a i n l yc a u s e db yt h er e s o n a n c ee n h a n c e m e n ti nt h es l i t s ；t h ee o ti s e x c i t e db yt h es p po nt h em e t a l - d i e l e c t r i ci n t e r f a c ew h e nt h ew a v e l e n g t hi se q u a l t ot h es p pw a v e l e n g t h ；t h ee l e c t r o m a g n e t i cd i s t r i b u t i o n sa l eh y b r i dm o d e so n o t h e re o t c o n d i t i o n s ，w h i c hs a t i s f yb o t hr e s o n a n c ee n h a n c e m e n ta n dc r e e p i n g w a v ec o u p l i n gc o n d i t i o n t h e nt h ee f f e c to ft h ed i e l e c t r i cs u b s t r a t ei ss t u d i e d t h es u b s t r a t ew o u l di m p r o v et h el i g h tt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yb ya f f e c t i n gt h e p h a s e sa n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o n s f u r t h e r m o r e ，t h ed i e l e c t r i c s u b s t r a t ew i t hs u i t a b l et h i c k n e s sc o u l dg r e a t l yr e d u c et h el i g h ts c a t t e r i n ga n db e l i g h tt r a n s p a r e n t o nt h er e s o n a n c ee n h a n c e m e n tc o n d i t i o n i ns h o r t ，t h ef d t dm e t h o di s e m p l o y e dt oa n a l y z et h ee o ti np e r i o d i c n a n o s c a l em e t a l l i cs t r u c t u r e si n t h i st h e s i s an e wm e t h o di si n t r o d u c e dt oa n a l y z e t h ee o tm e c h a n i s ma f t e r s t u d yi nt h ee l e c t r o m a g n e t i ct r a n s m i s s i o n i nt h e s e s t r u c t u r e s ，a n dt h ef d t dm e t h o di se m p l o y e dt os t u d yt h ee l e c t r o m a g n e t i c t r a n s m i s s i o no nd i f f e r e n te o te x c i t a t i o nc o n d i t i o n s k e y w o r d s ： s u r f a c ep l a s m o n ；m e t a l ；f i n i t e d i f f e r e n c et i m e - - d o m a i nm e t h o d ；s u r f a c ew a v e s ； p e r i o d i cs t r u c t u r e v i i 山东大学博士学位论文 u 论文中常用符号说明 电子质量 阻尼系数 本征频率等离子体频率 角频率 电子电荷 弛豫时间 无限频率介电常数 磁场强度 电场强度 电通量密度 磁通量密度 电流密度 磁流密度 介电系数 磁导系数 电导率 u p m l 参数 u p m l 参数 p m l 层厚度 x ，y , z 波矢量 晶格常数 r 哆 缈 p 厂 _ 1 日 一e f | d l | b f | ， 一厶 占 盯 k 户 f f | 七 云 山东大学博七学位论文 e ，h f d t d 二维计算空间宽度 f d t d 二维计算空间长度 激励源中心频率 插值系数 入射角 总场 入射场 散射场 场分布相位 相位 相位 单位矢量 光速 波长 时间步长 空间步长 空间步长 复折射率 折射率 消光系数 实部 虚部 有效折射率 表面等离激元频率 孔洞宽度 i x r n m w 秒 乙 乙 口 伊 一 k 五 址 留 如 刀 后 k h 口 山东大学博士学位论文 x 孔洞长度 x 方向周期 y 方向周期 金属板厚度 金属的介电常数 波阻抗 自由空间传播常数 6 p g 乃 吼 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：日期：至多! 圣汐 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的e r j 届l j 件和 电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：兰交盈导师签名：乏拯日 期：? 7 。歹五y 山东大学博士学位论文 1 1 研究背景 第一章引言 近年来，随着纳米科技与制造工艺的发展，光电子领域正经历一场前所未 有的巨大变革，新的交叉学科和研究方向不断涌现，一些因为制造工艺问题而 搁置的设想也得以实现并进一步推动光电子领域的发展。如光子晶体 1 4 】、集 成光电子学 5 8 】、纳米光学【9 1 1 、等离激元学 1 2 ，1 3 1 、金属光学 1 4 ，1 5 等研 究方向成为当前的研究热点。 传统光学元件通常为离散元件，存在尺寸过大、调整和校准困难的问题， 同时由于光学衍射极限的存在，也限制了光学器件的小型化。这些因素制约了 光电集成( o p t o e l e c t r o n i ci m e g r a t i o n ) 系统的发展。在过去几十年里，电子电路的 集成化取得了飞速发展，根据摩尔定律( m o o r e sl a w ) ，集成电路上可容纳的晶 体管数目约每隔1 8 个月会增加一倍，性能也将提升一倍。目前采用4 5 n m 工艺 的集成电路已经投入商业生产，3 2 n m 工艺的集成电路也将在2 0 0 9 年面世。与 此同时，在光电领域基于s i 材料的集成光路取得了很大进展，光电集成系统也 成为另一个迅速发展的研究方向。在光电集成芯片上，光路和电路集成在一个 晶片衬底上，元件间用纳米尺度的光波导连接。这样的集成器件具有体积小， 性能高效稳定，安装维护方便等优点。目前，光电耦合和光波导的尺寸是制约 光电集成电路发展的关键问题。为了突破衍射极限、减小光学元器件的尺寸以 及实现光电耦合，人们提出了很多方法，其中比较有代表性的有光子晶体和表 面等离激元技术。 1 1 1 光子晶体 光子晶体( p h o t o n i cc r y s t a l ，p c ) 的概念由e y a b l o n o v i t c h 1 和s j o h n 1 6 于1 9 8 7 年分别提出。光子晶体是一种介电常数周期性变化的人造材 料，具有与电子能带类似的光子禁带( p h o t o n i cb a n dg a p ，p b g ) ，在光子晶体的 禁带中电磁传播被禁止，同时由于禁带频段内的光子态密度分布为0 ，自发辐 山东大学博士学位论文 射被抑伟l j 1 7 1 9 。通过在光子晶体中引入缺陷破坏光子晶体原有的周期性，则 有可能在禁带中出现带宽极窄的缺陷态，与缺陷态频率吻合的光子被局限在缺 陷中，形成新的导带 1 5 。这一独特的性质可以提高器件的光学性能，同时大 大降低光学器件的尺寸。光子晶体在光学领域，特别是高性能光纤制造中得到 广泛应用f 2 ，2 0 2 2 ，图1 1 中展示了4 种光子晶体光纤。另外，由于光子晶体 中的弯曲缺陷不会造成很大的弯曲损耗，可以制作成弯角很大的波导 3 】。 图1 1 各种光子晶体光纤的电镜图片【2 1 】 1 1 2 表面等离激元和表面波 因为光子晶体的周期取决于工作波长，约为2 2 ，而构成一个器件至少需 要几个周期。为了进一步减小器件尺寸，表面等离激元( s u r f a c e p l a s m o n , s p ) 2 3 ， 2 4 1 技术成为新的选择。由于金属具有强吸收和高反射的特性，过去几十年中， 金属材料在光学中通常作为反射镜使用。尽管如此，由于金属材料的介电常数 在可见光和远红外波段为负数，当把金属和电介质组合为复合结构时会发生很 多有趣的现象。当电磁波入射到金属与介质分界面时，金属表面的自由电子发 2 山东大学博士学位论文 生集体振荡，如果电子的振荡频率与入射电磁波的频率一致就会产生共振，这 时就形成的一种特殊的电磁模式：表面等离激元 2 5 】。其特点是电磁场被局限 在金属与介质交界面，沿金属表面传播。同时在脱离金属表面的方向上以指数 形式迅速衰减。虽然人们很早就认识了这一现象，由于表面等离激元在平坦界 面上的传播距离很短，同时s p 是一种近场光学现象，在原有的制作工艺水平和 观测技术条件下无法得到应用。近年来，随着纳米科技和制作工艺的发展，人 们已经能够制作精确尺寸的复杂纳米光学器件 2 6 3 0 ，如图1 2 所示的纳米量 子环结构，箭头标记长度为3 0 0 r i m ，加工精度已经达到十纳米量级。 图1 2 纳米尺度量子环的原子力显微镜( a t o m i cf o r c em i e m s c p o e ，a f m ) 图片【2 9 】 在近场观测领域，1 9 8 2 年gb i r m i g 等人发明了隧道显微镜( s c a n n i n g t u n n e l i n gm i c r o s c o p e ，s t m ) 3 1 ，突破了衍射极限。d wp o h l 等人于1 9 8 4 年 成功研制了可见光波段的扫描近场显微镜【3 2 。此后近场观测技术得到迅速发 展 3 3 3 5 1 。目前，扫描近场光学显微镜技术已经基本成熟，并已有一些专业的 生产厂家。这一技术的发展使近场光学得到了广泛的关注，极大的推动了表面 等离激元技术的发展，并在许多领域得到了应用【3 6 3 9 】。 1 9 9 8 年，twe b b e n s e n 等人首次报道了金属平板上圆孔阵列的异常光传 输皿x t