畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于表面等離子體的跑道形濾波器的設(shè)計(jì)與分析.doc

湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文-1-目錄第一章前言31.1研究表面等離子激元的意義31.2本文的研究范圍和解決主要問(wèn)題3第二章表面等離子體及其波導(dǎo)52.1表面等離子體研究的歷史背景52.2表面等離子體的基本概念和特性52.2.1表面等離子體的基本概念52.2.2表面等離子體的基本特性62.2.3SPP與LSP的關(guān)系62.3洛倫茲模型和德魯?shù)履Ｐ?2.3.1洛倫茲（Lorentz）模型72.3.2德魯?shù)拢―rude）模型72.4金屬-介質(zhì)-金屬等離子體波導(dǎo)10第三章數(shù)值計(jì)算方法113.1時(shí)域有限差分法的提出113.2時(shí)域有限差分法簡(jiǎn)介113.2.1差分運(yùn)算的基本的概念123.2.2時(shí)域有限差分法基本原理123.2.3時(shí)域有限差分法基本特點(diǎn)153.2.4EastFDTD簡(jiǎn)介15第四章基于表面等離子體的跑道形濾波器的設(shè)計(jì)與分析164.1濾波器的基本特性和基本理論164.2基于表面等離子體的兩種濾波器的設(shè)計(jì)與計(jì)算194.2.1環(huán)形濾波器的設(shè)計(jì)214.2.2跑道形濾波器的設(shè)計(jì)234.2.3兩種濾波器的運(yùn)算過(guò)程比較254.2.4兩種濾波器的頻率響應(yīng)對(duì)比274.3基于表面等離子體的兩種濾波器的一些參數(shù)對(duì)比分析28第五章結(jié)論29參考文獻(xiàn)30湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文-2-致謝32附錄A33B34湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文-3-第一章前言1.1研究表面等離子激元的意義伴隨著國(guó)家利益的需要、人們對(duì)于生活品質(zhì)的追求和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，信息技術(shù)滲透了國(guó)民經(jīng)濟(jì)、人民的生活和社會(huì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域和各個(gè)層次?，F(xiàn)代信息技術(shù)對(duì)于器件微型化和高度集成化的要求，要求單元器件的尺寸越來(lái)越小，器件的空間距離也越來(lái)越小(均要突破光學(xué)衍射極限)，基于傳統(tǒng)光學(xué)的基本原理和技術(shù)因受衍射極限的限制，在納米尺度層面和結(jié)構(gòu)上就難以實(shí)現(xiàn)與此相關(guān)的信息的傳輸、處理和相關(guān)技術(shù)應(yīng)用等，不能滿足科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要，因此迫切需要實(shí)現(xiàn)突破衍射極限的新機(jī)理和新技術(shù)；同時(shí)納米尺度器件也表現(xiàn)出傳統(tǒng)器件所不具有的新現(xiàn)象、新功能和新應(yīng)用。納米光子學(xué)(nanophotonics)就是在這種背景下產(chǎn)生的前沿科學(xué)。納米光子學(xué)器件本身涉及多學(xué)科交叉，其光學(xué)行為將從波動(dòng)光學(xué)范疇擴(kuò)展到近場(chǎng)光學(xué)、量子光學(xué)和微區(qū)非線性光學(xué)等領(lǐng)域。作為實(shí)現(xiàn)量子調(diào)控的新一代的信息技術(shù)重要研究?jī)?nèi)容之一，美、日、英、法等發(fā)達(dá)國(guó)家先后投入了巨大人力和財(cái)力進(jìn)行相關(guān)的基礎(chǔ)和器件研究工作，納米光子學(xué)已經(jīng)列入了國(guó)家中長(zhǎng)期科技規(guī)劃。目前國(guó)際上實(shí)現(xiàn)納米尺度的光學(xué)控制主要方法之一就是基于表面等離子體。利用表面等離子體可以將光學(xué)控制的維度從三維降為二維，實(shí)現(xiàn)納米尺度超衍射極限的光傳輸?shù)挠行д{(diào)控，同時(shí)可在納米尺度上電磁能量局域匯聚放大，其空間尺度受限、場(chǎng)空間局域增強(qiáng)的特點(diǎn)，在微納傳感探測(cè)、納米光子器件設(shè)計(jì)及其集成等納米光子學(xué)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。目前，隨著納米科學(xué)技術(shù)、近場(chǎng)掃描探針技術(shù)等的發(fā)展，國(guó)際上關(guān)于納米尺度中的各種局域光學(xué)效應(yīng)及表面等離子體在納米光子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用和相關(guān)器件研究得到了廣泛重視和蓬勃發(fā)展。亞波長(zhǎng)金屬微納結(jié)構(gòu)是激發(fā)和控制表面等離子體的主要結(jié)構(gòu)。有效激發(fā)表面等離子體的金屬微結(jié)構(gòu)光子器件不僅能改善傳統(tǒng)器件的性能，而且會(huì)產(chǎn)生一些新奇的物理現(xiàn)象以及實(shí)現(xiàn)新的器件功能，因而在微納光子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、信息等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。1.2本文的研究范圍和解決主要問(wèn)題表面等離子激元沿著導(dǎo)體一電解質(zhì)分界面處傳播，傳播距離大約是幾百納米到幾微米，并在垂直表面的兩個(gè)方向上，均以指數(shù)式衰減。傳統(tǒng)光學(xué)由于衍射極限的限制，只能把光子器件做到波長(zhǎng)(n)量級(jí)，而無(wú)法滿足集成光學(xué)的需求，而基于表面等離子激元的光子器件則打破了衍射極限的限制，可以將光束縛在亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)中傳播，故有利于光器件的集成化發(fā)展。湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文-4-基于表面等離子激元的光波導(dǎo)由于可以將光場(chǎng)限制的很小，因而可以實(shí)現(xiàn)非常急劇的彎曲，進(jìn)而可以做成非常小的跑道形波導(dǎo)。本文研究的基于表面等離子激元的共振濾波器就是一種十分重要，也是十分基礎(chǔ)的光學(xué)器件，在光通信中有著很廣泛的應(yīng)用(如光開關(guān)，波分復(fù)用等)。本文主要通過(guò)EastFDTD軟件分析、計(jì)算并比較跑道形濾波器與環(huán)形濾波器的優(yōu)劣。湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文-5-第二章表面等離子體及其波導(dǎo)2.1表面等離子體研究的歷史背景早在100多年前,人們就認(rèn)識(shí)到貴金屬(合金)納米顆粒在可見(jiàn)光區(qū)表現(xiàn)出很強(qiáng)的寬帶光吸收特征。這種現(xiàn)象實(shí)質(zhì)上是由于費(fèi)米能級(jí)附近導(dǎo)帶上的自由電子在電磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下在金屬表面發(fā)生集體振蕩,產(chǎn)生所謂局域表面等離激元；共振狀態(tài)下電磁場(chǎng)的能量被有效地轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘俦砻孀杂呻娮拥募w振動(dòng)能。在理論上首次證明，表面等離子體激發(fā)現(xiàn)象的存在是Ritchic于19571年完成的，然而歷史上第一次明確提出表面等離子體(surfaceplasmons)這個(gè)概念卻是在之后的1960年由Stern2等完成的。同年powell和swan在實(shí)驗(yàn)上通過(guò)電子束觀測(cè)到了薄金屬膜上表面等離子體的激發(fā)。1968年Otto用他的衰減全反射(ATR)方法在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)光波頻段的表面等離子體的激發(fā)。雖然在1960年Stern等就提出表面等離子體這個(gè)概念,但是由于理論不夠完善和技術(shù)不夠先進(jìn),表面等離子體并沒(méi)有顯示出它的優(yōu)點(diǎn),不為人們所關(guān)注,所以該領(lǐng)域發(fā)展一直比較緩慢。直到該世紀(jì)八十年代初期，掃描隧道顯微鏡(seanningtunnelingmieroseope，STM)的發(fā)明(Binningetal，1982)大大推動(dòng)了由傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)向近場(chǎng)光學(xué)的發(fā)展。1984年瑞士蘇黎世IBM研究室的D.W.Pohl等人研制成功了世界上第一臺(tái)近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡(near-fieldseanningoptiealmieroseopy,NSOM)。隨著近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡的出現(xiàn)，使得在金屬表面探測(cè)SPs成為可能,SPs的散射和局域性質(zhì)得到了廣泛的研究，形成了二維等離子體光學(xué)。表面等離子體光學(xué)仍然屬于近場(chǎng)光學(xué)的范疇，顧名思義，它是以表面等離子體為核心研究?jī)?nèi)容的新興學(xué)科。在最近十年,與表面等離激元有關(guān)的研究取得了眾多令人鼓舞的新進(jìn)展,而且迅速向其它領(lǐng)域交叉滲透,新的研究分支不斷出現(xiàn)。國(guó)內(nèi)關(guān)于與表面等離激元有關(guān)的研究進(jìn)展介紹已經(jīng)一些報(bào)道,涉及表面拉曼增強(qiáng),傳感器件,納米光子學(xué),左手材料,亞波長(zhǎng)光學(xué),及其它一些應(yīng)用技術(shù)等等。2008年,PanStandord出版社出版了一本由南丹麥大學(xué)S.I.Bozhevolnyi主編的、題為PlasmonicNanoguidesandCircuits的文集,書中圍繞各種SP波導(dǎo),收集了12個(gè)專題論述3。2.2表面等離子體的基本概念和特性2.2.1表面等離子體的基本概念等離子體的定義為正離子和電子的密度大致相等的電離氣體。通常等離子體中存在電子、正離子和中性粒子。金屬表面有自由電子，入射光子和金屬表面的自由電子相互耦合形成的局域電磁波就是表面等離子體，它是一種沿金屬導(dǎo)體表湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文-6-面?zhèn)鞑サ碾姶挪?，它是存在于金屬表面的一種非輻射局域模式,其振幅隨離開分界面的距離按指數(shù)衰減。表面等離子體包括表面等離極化激元(SurfacePlasmonPolariton，SPP)和局域表面等離激元(LocalizedSurfacePlasmon，LSP)共振兩種。2.2.2表面等離子體的基本特性表面等離子體是金屬表面自由電子在入射光場(chǎng)的激勵(lì)下集體相干振蕩，這種相互作用產(chǎn)生了表面等離子體并賦予其獨(dú)特的性質(zhì)。兩個(gè)顯著特征：（1）表面等離子體在傳播方向上具有比光波大的傳播波矢（即更短的波長(zhǎng)）；（2）在與傳播方向垂直的方向上是消逝場(chǎng)。由于表面等離子體在與界面垂直的方向上是振幅以指數(shù)衰減的方式傳播，因不能通過(guò)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備直接觀測(cè)到。光子掃描隧道顯微鏡(PhotonScanningTunnelingMicroscope，PSTM)21是用探針探測(cè)樣品表面附近被全反射光所激勵(lì)的瞬逝場(chǎng)，從而獲得表面結(jié)構(gòu)信息。其分辨率遠(yuǎn)小于入射光的半波長(zhǎng)，突破了光學(xué)顯微鏡半波長(zhǎng)極限的限制。光子掃描隧道顯微鏡原理和工作方式與掃描隧道顯微鏡相似，所不同的是掃描隧道顯微鏡利用電子的隧道效應(yīng)，光子掃描隧道顯微鏡則是利用光子的隧道效應(yīng)。因而近場(chǎng)技術(shù)如光子掃描隧道顯微鏡可以用于對(duì)金屬表面電場(chǎng)進(jìn)行直接探測(cè)。光子掃描隧道顯微鏡是收集模式的掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，樣品放在棱鏡的上表面，這樣可以通過(guò)衰減內(nèi)全反射的方法激發(fā)表面等離子體。納米量級(jí)的針尖通常用光纖拉錐的方法制備，然后鍍上一層金屬膜。光子掃描隧道顯微鏡掃描的圖像是近場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度分布的直觀體現(xiàn)。2.2.3SPP與LSP的關(guān)系（1）LSP和SPP的不同兩者的色散關(guān)系不同，SPP是一種表面的傳播場(chǎng)，而LSP是依托于某種表面結(jié)構(gòu)的局域電磁場(chǎng)振蕩，具有一系列分立的、復(fù)數(shù)的頻率，是由產(chǎn)生LSP的表面微結(jié)構(gòu)的尺度形狀決定的。LSP振蕩可以由合適的頻率和偏振的光來(lái)激發(fā)，與激勵(lì)光的波矢無(wú)關(guān)，而SPP的激發(fā)則要求激勵(lì)光的頻率和波矢都要和SPP匹配（2）LSP和SPP可以相互轉(zhuǎn)換在粗糙的表面，LSP和SPP的頻率接近LSP振蕩可以激勵(lì)SPP，SPP也可以激發(fā)LSP。LSP和SPP之間能量的轉(zhuǎn)換，對(duì)于SPP的激勵(lì)起著重要作用。（因?yàn)長(zhǎng)SP不要求波矢匹配，通過(guò)LSP來(lái)激發(fā)SPP效率更高）提高了表面結(jié)構(gòu)對(duì)于SPP的散射作用。2.3洛倫茲模型和德魯?shù)履Ｐ秃峡萍即髮W(xué)本科生畢業(yè)論文-7-表面等離子體波是一種可以在金屬與介質(zhì)表面上傳播的光波模式。使用表面等離子體波，研究者們己經(jīng)提出了各種具有亞波長(zhǎng)尺度上導(dǎo)光性質(zhì)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以及相關(guān)功能器件。金屬的光頻性質(zhì)可用經(jīng)典電子理論模型加以說(shuō)明。2.3.1洛倫茲（Lorentz）模型洛倫茲（Lorentz）色散模型4是基于阻尼諧振子近似的色散理論(Lorentz，1909)。在均勻和各向同性的介質(zhì)中，一級(jí)近似下，光與物質(zhì)的相互作用可看作阻尼諧振子的受迫振蕩。諧振子之間的相互作用，用阻尼系數(shù)來(lái)表征；假定介質(zhì)的固有振蕩頻率為p，對(duì)于質(zhì)量為m的諧振子受到的作用力有:與位移x成正比的彈性恢復(fù)力2pmx，與速度成正比的阻尼力mx和光電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力0exp()eEit，e為諧振子的有效電荷。于是諧振子的運(yùn)動(dòng)方程可以表示為(方容川，2001):200exp()mxmxmxeEit（2.1）其中為入射光的頻率。具有頻率的量綱，表示諧振子相互碰撞的頻率。由此方程即可得到諧振子在光波作用下的位移022()exp()pemxeEiti（2.2）由該表達(dá)式，結(jié)合電極化強(qiáng)度的定義，不難得到介電常數(shù)、折射率以及電導(dǎo)率的色散關(guān)系。理論上講，Lorentz模型可以模擬絕大多數(shù)介質(zhì)，包括金屬。不過(guò)金屬的獨(dú)特結(jié)構(gòu)使得基于自由電子氣近似的德魯?shù)?Drude，1900)色散模