金属带表面等离子光波导传输特性的分析摘 要 自从19世纪麦克斯韦建立了经典电磁场理论之后，电磁技术的应用带来了以电气化、有线和无线通信为标志的技术革新，对人类的科学技术以及生活都产生了深远的影响。表面等离子光波导提供了一种新型的、独特的导波机制，可以在金属表面上以表面等离子极化波的形式引导光。而且这种表面等离子光波导不受衍射极限的限制。在表面等离子光波导中，电场高度集中在金属表面和介质之间的界面上，所以能量的密度极其的强大。而更重要的是，基于非线性表面等离子光学的有源光学器件将会允许用光来控制光，这种特点也为实现全光集成电路提供来理论上的依据和这种思路。本文首先简单的说明了表面等离子极化波的发展历史，激发的方法和它的应用领域。然后对金属带表面等离子光波导的场的分布做全面的分析。 关键词 表面等离子光波导，金属薄膜，介质，COMSOL 1ABSTRACTSince the 19th century maxwell established classical electromagnetic field theory, the application of electromagnetic technology after brings to electrification, wired and wireless communication as the symbol of the technical innovation, the science and technology as well as human life have a profound influence. The surface plasma optical waveguide provides a new and unique guided wave mechanism, can be in the metal surface to the form of the surface plasma polarization wave guide light. And the surface plasma optical waveguide from diffraction limit restrictions. In the surface plasma optical waveguide, the electric field highly centralized, with the metal surface and medium between interface, so the energy density extremely powerful. And more importantly, based on the nonlinear optical surface plasmons active optical device will allow light to control the light, this characteristic also to realize all optical integrated circuit provides theoretical basis and to this line of thinking. This paper first briefly explain the surface plasma polarization wave the development history, the methods and it inspired the application fields. Then on the metal surface plasma optical waveguide distribution comprehensive analysis.Key WordsThe surface plasma optical waveguide、Metal film、Medium、COMSOL目录1 绪论11.1 研究背景11.2 小结12 关于表面等离子波22.1 表面等离子体22.1.1 表面等离子体的提出22.1.2 表面等离子极化波的基本原理22.1.3 金属膜的选择32.1.4 表面等离子光波导32.1.5 研究表面等离子光波导的方法42.2 表面等离子波的应用42.3 小结53 金属带表面等离子光波导中的传输特性的分析63.1 金属中的波动方程以及其介电常数63.2 传输特性的概述103.3 金属带表面等离子波的传输特性103.4小结134 总结144.1 论文研究成果144.2 展望14参考文献16致 谢171 绪论1.1 研究背景毋庸置疑的是，光电子器件和光电子器件的集成化在21世纪已经进入了各大领域。成为使人类社会进入信息化时代的先进技术。自从1969年首次提出了集成光学的概念之后，集成光学不断的发展、完善，至今，集成光学无论是在应用还是理论方面都得到了巨大的发展进步。现在，它已经不再是将几个或者是几十个、几百个光学元器件集成在一起的简单的概念了，而是一个集中了光电子学、通信等技术为一体的全新的交叉性的学科了。21世纪，在信息系统中信息的采集、处理、存取以及应用都在努力的向着高速化、大容量化和宽带化方面发展。而由于光电子器件的小型化、集成化等优点决定了光电子器件将是这类信息系统中的关键器件。而且光电子器件功能更好，运行可靠。近年来，表面等离子极化（SPPs）已经在高度集成光路及纳米光学领域中得到了广泛的关注。1.2 小结在本章节中简单的介绍了表面等离子光波导的发展以及由来背景。同时还介绍了光电子器件的一些优点和特性，这些在后续的章节中会有较为详细的介绍。2 关于表面等离子波2.1 表面等离子体2.1.1 表面等离子体的提出在1920年，科学家们第一次观察到了表面等离子极化共振的现象，之后，科学家们根据金属和空气界面上的表面电磁波的激发理论解释了这一表面等离子波的共振现象。并且首次的提出了表面等离子体极化（Surface Plasmon Polaritons,SPPs）的概念。2.1.2 表面等离子极化波的基本原理所谓的表面等离子极化是指在介质与金属界面上存在的自由振动的电子与入射光子相互作用而产生的电子疏密波。等离子体是由电子、离子等带电粒子以及中性粒子如原子、分子、微粒组成的。一般来说，表面等离子体波的场的分布有以下特性：（一） 场的一个分布在沿着界面的方向上是高度局域的。（二） 在平行于界面的方向上表面等离子极化波可以传播，但是无可避免的由于金属的损耗的存在，表面等离子极化波在传输的过程中如上图所示会按照指数的形式衰减，而这种衰减形式的速度是很大的。所以，在有限的能量支撑下，表面等离子极化波的传输距离有限。2.1.3 金属膜的选择在金属导体与光进行相互作用的时候，导体材料中的自由电子吸收了光的能量，从而脱离了原子核的束缚产生与入射光相同频率的振荡，此振荡又放出与入射光线相同频率的光，把这中光称之为光的反射。当然这种电子的振荡会随着深度的增加而减小，使电子振荡的幅度减少到原来的1/e（e=2.7）时的深度称为穿透深度，此穿透深度决定了材料是透明的还是存在着反射，穿透深度的计算方法为：=其中，为光在真空中传输时的波长，c为光速，为磁导率，为金属电导率。在上述的公式中我们可以看到，光波长越长其穿透深度越大，即光信号越容易穿透金属，金属的电导率越高，穿透深度越小，反射率越高。基于此中原因，表面等离子光波导中的金属材料大都选择高导电度的材料。2.1.4 表面等离子光波导1864年，麦克斯韦回顾和总结了前人关于电磁现象的实验研究成果，提出了一套完整的宏观电磁场方程，预言了电磁波的存在并提出了“光就是电磁波 ”的重要论断，开创了光的经典电磁理论的新纪元。迄今为止，在光通信、光集成、光信息处理领域，有关光传输的问题，都是以麦克斯韦方程作为理论的基础，推动着光波技术的发展。表面等离子光波导中传输光信号的是表面等离子极化波，表面等离子极化波并不受衍射极限的限制。所谓的表面等离子波是在金属和介质的界面上传播的电磁波。这种表面波在本质上是由于电磁场与金属的自由电子等离子体耦合而形成的。2.1.5 研究表面等离子光波导的方法有限元方法（Finite Element method,FEM）。有限元法是在变分原理基础上发展起来的，也是一种数值仿真的方法，可以解决波动方程所描述的物理问题，而且，在1969年以来，某些学者在流体力学中应用加权余数法中的迦辽金或最小二乘法等同样获得了有限元方程，因而有限元法可应用于任何微分方程说描述的各类物理场中。在本论文中所用到方程就是波动方程，它将复杂的问题近似为简单的问题，我们选取近似解来逼近精确解，本文中的电磁场仿真就是利用有限元法的电磁场仿真软件comslo 4.0计算的。2.2 表面等离子波的应用世界进入了21世纪，21世纪什么是最大的、最根本的问题？我想绝大部分的人们都会说是能源的问题，而恰恰的是表面等离子极化效应在能源的问题上也具有它的优势，光电子器件的能量消耗很小，在LED上我们可以利用表面等离子极化产生的效应来加强LED的光效率。由于表面等离子波的高度局域性，还可以制作非线性器件。由于光学衍射极限的存在，可以用来实现纳米光刻。由表面等离子波的分布深度小于波长量级，能够制作近场显微镜。当然了，表面等离子极化在其他的科学领域中或是生活中还有更广泛的应用，在这里就不再一一的介绍了。2.3 小结在本章节中，我们介绍了表面等离子体的提出、表面等离子极化波的一个基本原理，其基本的原理就是通过金属带中的自由电子于光子的相互作用来产生表面等离子极化波。自由电子吸收了光的能量，从而脱离了原子核的束缚，产生电子疏密度。同时，我们还讲述了在表面等离子极化中金属薄膜的选择问题，通过分析，我们得出结论，金属材料大都会选择高导电度的材料。得出结论金属材料要选侧导电率高的金属。在此之上，我们讨论了研究表面等离子光波导的一个重要的方法：有限元法。在本章的最后，我们介绍了表面等离子波在生活中、生产实际中以及科学研究中的应用。3 金属带表面等离子光波导中的传输特性的分析3.1 金属中的波动方程以及其介电常数在1864年的时候，麦克斯韦对电生磁和磁生电的现象做了全面的总结，并且将法拉第电磁感应定律的适用范围进行了推广，将稳恒磁场的安培环路定律修改为适用于时变场的全电流定律。并认为静电场的磁通连续性原理推广到时变场后仍然是成立的，于是提出了麦克斯韦方程组：微分形式 积分形式 再加上静止、均匀、线性和各向同性煤质的电磁性质方程，称作电磁场的辅助方程或者是本构方程：这就是完整的麦克斯韦方程组。它是对静止煤质中宏观电磁现象的普遍规律做出的高度概括性总结，是电磁场的基本方程。金属中麦克斯韦方程组写为如下的形式：（3-1a）（3-1b）（3-1c）（3-1d）=（3-1e）=（3-1f）=（3-1g）在上述的麦克斯韦方程组中对3-1b两边求其散度，得到 （3-2）整理式3-2且入式3-1c，得到 （3-3）由式3-1c直接求导，得到 （3-4）整理式3-3和式