“文献综述、外文翻译和开题报告”三合一文件模版

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本科生毕业论文

文献综述与开题报告

姓名与学号*************

指导老师************

班级与专业2024级电子科学与技术或2024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讨论

二、指导老师对文献综述和开题报告的详细内容要求：

对文献综述的要求：

要求具体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：

要求同学对表面等离激元和契形波导和凹槽的相关背景学问有深化理解，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将来进展的方向。

指导老师（签名）

名目

文献综述(1)

一、背景介绍(1)

1.当前集成技术的进展瓶颈(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、国内外讨论现状(1)

1.讨论方向及进展(1)

2.课题应用前景(2)

3.存在的问题(3)

三、讨论展望(4)

开题报告(6)

一、问题提出的背景(6)

1.背景介绍(6)

2.本讨论的意义和目的(6)

二、论文的主要内容和技术路线(6)

1.主要讨论内容(6)

2.技术路线(6)

3.可行性分析(8)

三、讨论方案进度支配及预期目标(8)

1.进度支配(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

一、背景介绍

1.当前集成技术的进展瓶颈

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峻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，并且随着频率的上升具有很高的数据传输力量。光子集成电路比传统的电子集成电路具有许多明显优势，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掌握光子，离桌面计算机和其他口常应用还相差甚远。这对纳米光子学的讨论提出了新的挑战：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掌握光场，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。

2.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（localizedsurfaceplasmons,LSPs）和表面等离子体极化激元（surfaceplasmonpolaritons,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的电磁能量被剧烈地约束在表面四周，具有强大的近场增加效应；沿金属表面由于欧姆热效应，只能传播有限距离。

3.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。

二、国内外讨论现状

1.讨论方向及进展

表面等离子体是一门新兴学科，我国对于此方面的讨论起步较晚。当前表面等离子体亚波长的光学讨论有如下进展和热点问题。

1.1SPPs光场的探测方法讨论

目前SPPs的性质和金属表面结构之间的关系不是很清晰，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，因此更具体地了解SPPs的传播行为是特别有必要的．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。

1.2SPPs的带隙结构的讨论

近几年来光子晶体的讨论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掌握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转变在其上传播的SPPs的性质。

1.3金属微孔结构和狭缝阵列结构的讨论

1998年，Ebbesen在Nature上发表了亚波长金属小孔阵列结构的特别透过现象的文章，试验结果表明：该结构的透过光强不仅远高于经典衍射理论计算结果，而且大于根据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．

1.4SPPs在纳米光刻中的讨论

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）可以通过采纳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。。。

2.课题应用前景

2.1SPPs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，武汉高校汪国平教授领导的讨论小组的讨论成果较为突出，并著有相关著作。在表面等离子带隙结构中引人线缺陷即可引导SPPs的传播，通过设计缺陷的外形可以实现SPPs的直线波导、弯曲波导以及分束波导等

2.2SPPs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，可以避开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外形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

2.3SPPs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波波段的电磁辐射。在有源光学材料四周附着金属结构，在金属结构表面诱导产生SPPs，使得有源光学材料四周的光子态密度发生显著变化，从而转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。

2.4SPPs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．应当避开标点符号的中英文混用。

2.5SPR传感器

利用表面等离子体共振（SurfacePlasmonresonance,SPR）现象研制光化学传感器已引起人们的极大爱好，正成为传感器领域的讨论前沿。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。

3.存在的问题

表面等离子体光子学供应了难得的新机遇。基于此学科的进展而有望研发出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辨别光学成像，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，开展更广泛深化的讨论。在将来的岁月里，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，实现自主掌握；

（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）深化地探究SPPs中新效应的物理机制。

三、讨论展望

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，将来SPPs的讨论将向多维化、有用化的方向进展。但SPPs的讨论在我国起步较晚，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，正是将来需要钻研的课题。只有两者的不断进步和进展，SPPs纳米光子器件才能具有真正的有用价值，从而为实现纳米全光集成这一美妙前景打下坚实的基础。

陈艳坤，韩伟华，李小明.突破衍射极限的表面等离子激元.光电技术应用，2024,26(4).

王庆艳，王佳，张书练．基于金属表面等离子激元掌握光束的新进展．光学技术，2024,35(2):163-174.

GramotnevD.K,PileD.F.P.Single-modesubwavelengthwaveguidewithchannelplasmon-polaritonsin

triangulargroovesonametalsurface．AppliedPhysicsLetters,2024,85(26):6323-6325.

MorenoE,Garcia-VidalFJ,RodrigoSG.Channelplasmon-polaritons:modalshape,dispcrsion,and

losses.OpticsLetters,2024,31(23):3447-3449.

PileDEP,GramotnevDK.Plasmonicsubwavelengthwaveguides:nexttozerolossesatsharpbends.

OpticsLeters,2024,30(10):1186-1188.

BoltasscvaA,VolkovVS,NielsenRB,etal.Triangularmetalwedgesforsubwavelength

plasmon-polaritonguidingattelewavelengths.OpticsExpress,2024,16(8):5252-5260.

MaierSA,KikPG,AtwaterHA.observationofcoupledplasmon-polaritonmodesinAunanoparticle

chainwaveguidesofdifferentlengths:Estimationofwaveguideloss．AppliedPhysics

Letters,2024,81(9):1714-1716.

HalasNJ,KnightMW,GradyNK,etal.Nanoparticlemediatedcouplingoflightintoa

nanowire．NanoLetters,2024,7(8):2346-2350.

MaierSA,KikPG,AtwaterHA,etal,Localdetectionofelectromagneticenergytransportbelowthe

diffractionlimitinmetalnanoparticleplasmonwaveguides.NatureMaterials,2024,2(4):229-232.ZhangX,oultonRF,SorgerVJ,etal,Ahybridplasmonicwaveguideforsubwavelengthconfinementand

Iong-rangepropagation.NaturePhotonics,2024,2(8):496-500.

OzbayE.Plasmonics:Mergingphotonicsandelectronicsatnanoscaledimensions.Science,

2024,311(5758):189-193.

JRKrenn,ADereux,JCWeeber,SqueezingtheOpticalNear-FieldZonebyPlasmonCouplingof

MetallicNanoparticles.PhyRevLett,1999,82(12).

EbbesenTW,LezecHJ,GhaemiHFetal.Nature,1998,391:667

FangN,LeeH,SunC,etal.subdiffractionlimitedopticalimagingwithasilversuperlens.Science,2024,

308(5721):534-537

汪国平.表面等离子体激元纳米集成光子器件.物理，2024,35(6):502-507

SIBozhevolnyiandetal.Channelplasmonsubwavelengthwaveguideponentsincluding

interferometersandringresonators.Nature,vol,440,p.508,2024

LeileiYin,VitaliK,etal.SubwavelengthFocusingandGuidingofSurfacePlasmons.Nanolett2024,5,

1399

汪毅，周治平.基于表面等离子体激元的硅基激光器.激光与光电子学进展，2024，45(2):26-26

KikPG,MaierSA,AtwaterHA.Phys.Rev.B,2024,69:045418

刘琼.周期性结构的表面等离子体共振性能讨论.长沙：中南高校，2024

张斗国,王沛.表面等离子体亚波长光学前沿进展.物理，No.7，2024.

李娜,倪晓昌,王彬.表面等离子体激元讨论进展.天津工程师范学院学报.vol20，No.4，2024.

开题报告

一、问题提出的背景

1.背景介绍

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峻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，并且随着频率的上升具有很高的数据传输力量。光子集成电路比传统的电子集成电路具有许多明显优势，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掌握光子，离桌面计算机和其他口常应用还相差甚远。这对纳米光子学的讨论提出了新的挑战：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掌握光场，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。

2.本讨论的意义和目的

半导体器件的性能、速度以及易用依靠于它们在外部器件上的小型化与集成化。然而，当代电子设备的信息集成处理和传感正在快速达到理论上的速度和带宽的限制，这是一个日益严峻的问题，阻碍了现代科技中很多领域的进一步进展。最有前途的一种解决方案是用光信号取代作为信息载体的电信号。

本课题主要通过软件仿真试验得到复合楔形波导的各种物理参数，如传播长度（propagationlength这是正确的TimesNewRoman字体）、等效折射率（refractiveindex）、光场大小（modeconfinement）。最终通过优化，转变复合波导的结构，为之后进一步的讨论奠定基础。

二、论文的主要内容和技术路线

1.主要讨论内容

本课题将探究表面等离子体光子的特性，将讨论利用SPP这是宋体，英文及数字字体应

学理论，讨论不同结构波导的导光特性和物理特性，利用SPP独有的性质设计高效能的波导并进行仿真分析和优化，为该领域的应用积累理论依据。

2.技术路线

本课题拟采纳SOL作为仿真软件，方案对SPP复合楔形波导进行一系列的仿真与优化设计。首先依据之前查阅的相关文献资料，对前人设计的波导结构进行仿真验证。如下各图：

图一IMI结构

图二复合WPP波导

验证后，我们提出一种新型的复合楔形波导结构，如下图：应编图号及标题于其下方

对其进行建仿照真，得到相应的一组物理参数。与前人成果比对，并进行优化，最终得到高性能的导波结构。

3.可行性分析

图书馆以及我校现有的丰富的电子网络资源，可以供应足够的试验参数等本课题试验所需的相关信息。

SOLMultiphysics是一款大型的高级数值仿真软件。广泛应用于各个领域的科学讨论以及工程计算，被当今世界科学家称为“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”。模拟科学和工程领域的各种物理过程，SOLMultiphysics以高效的计算性能和杰出的多场双向直接耦合分析力量实现了高度精确的数值仿真。

三、讨论方案进度支配及预期目标

1.进度支配

第1-4周：进行文献查找和整理，文献阅读和翻译，了解SPP的讨论进展，完成开题报告撰写；

第5-8周：把握SOL仿真软件的基本用法，对前人提出的结构进行建仿照真，提出我们的新型结构并进行仿真；

第9-12周：分析试验结果，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。

2.预期目标

在了解SPP的基本特性之后，讨论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SOL软件对需要的结构进行建仿照真，提出新型的结构进行仿真并且优化，为后期的讨论供应理论基础。

陈艳坤，韩伟华，李小明.突破衍射极限的表面等离子激元.光电技术应用，2024,26(4).

王庆艳，王佳，张书练．基于金属表面等离子激元掌握光束的新进展．光学技术，2024,35(2):163-174.

DmitriK.GramotnevandSergeyI.Bozhevolnyi.Plasmonicsbeyondthediffractionlimit.NaturePhotonics,

vol4,Feb2024,83-91.

YushengBian,ZhengZheng,XinZhao,Symmetrichybridsurfaceplasmonpolaritonwaveguidesfor3D

photon