石墨烯等离基元研究背景及意义..docx

石墨烯等离基元研究背景及意义自上世纪60年代以来，集成电路技术取得了飞速的发展。作为电子及其他相关行业的核心技术，集成电路的研究一直按照“摩尔定律”预言发展。“摩尔定律”是指每隔约18~24个月，集成电路单个芯片上的晶体管数目将增加1倍，集成电路中最细刻线的宽度减小0.7倍[1]。集成电路已从上世纪60年代每个芯片上只有几十个器件发展到现在每个芯片上可包含10亿个以上的器件。摩尔定律尽管CPU的数据处理能力伴随着不断提高的晶体管集成度而日益增强，总线的数据传输速率却不能满足CPU的数据处理需求。为了克服电子互联的有限带宽和在数据传输速率方面的局限，充分发挥电子系统在现代信息处理中的作用，就需要研制能够工作在纳米尺度、且可同时实现高速传输的信息载体。从物理角度来看，与电子相比，光子具有更多的优势，比如光子无静止质量，光子不带电荷，从而光子的传输无电磁串扰等问题；光子是玻色子，因而无需遵守泡利不相容原理；光子具有振幅、频率、相位、偏振等多种有利于检测的状态等。因此，利用光子作为信息传输的载体，也就具有电子无法比拟的优势, 如高带宽、高密度、高速率、低耗散、抗干扰、可并行处理等，从而适于大容量高速率的信息传输和处理。目前，基于光子技术的通信网络技术已得到广泛应用。在计算处理器之间的通信网络中使用光纤代替电缆作为系统间的互联，已被证明可以极大的改善信息传输带宽和传输距离。进一步，如果将光子器件和电子器件集成在同一芯片上，则可以克服电子互联技术在传输速率和能耗等方面的现有瓶颈，从而极大的改善器件的性能。而对于芯片级的光子和电子器件的集成而言，首先需要解决的难题就是如何实现电子元件与光学器件的尺寸匹配。传统的光子器件主要基于折射率差别很小的介电材料。这些低折射率差光波导一般通过掺杂等工艺，使得波导的芯层折射率略高于包层折射率。对于这一类波导，基于全反射原理，满足一定条件的光波将被限制在芯层内部形成导波模式向前传播。由于芯层与包层的折射率差比较小，波导对光场的约束不强，模场面积大。当波导的横向尺寸逐渐减小时，将会使进入包层的能量增加，从而出现相邻波导间串扰增大、弯曲损耗增大等问题，无法实现高密度的光子集成。目前，在光子器件集成领域，被广泛认为比较有潜力能进一步提高光子器件集成度的研究方向主要有：光子晶体器件及光子晶体光纤、硅基光子器件、以及表面等离激元器件等[2,4]。下面就对这几类光子波导及微纳器件进行简要的介绍。1.2 微纳光波导及器件1.2.1 光子晶体器件光子晶体是由不同介电常数的介质材料在空间呈周期性排布的物质结构[1]。这种周期性结构会对沿特定方向传播的电磁波产生布拉格散射。当构成光子晶体的晶格常数和介电常数比为合适值时，光子晶体的光子能带之间可以出现使某些特定频率的电磁波无法透过的频率区域，被称为光子禁带。在光子禁带以外，电磁波以布洛赫波的形式在光子晶体中传播。光子晶体可以灵活而有效地控制光的辐射与传播，因此具备广泛而重要的应用价值。按照维度，光子晶体可被划分为一维、二维和三维结构[3]。目前，由于三维光子晶体波导及器件的加工制作技术尚且不够成熟，对于光子晶体波导及器件的相关研究主要集中在二维光子晶体器件方面。二维光子晶体波导是在二维光子晶体中引入线缺陷形成的。引入的线缺陷通常会使得光子晶体禁带内产生一个或者多个局域模，这些模式可以实现对光场的较强束缚。由于光子带隙的存在，光场可以在缺陷中以导波的形式传播，实现大角度弯曲，并具有更强的色散特性等等，因此可以被用来构建集成光子器件和集成光路。与基于传统低折射率差波导的集成光路相比，以二维光子晶体波导为基础构建的集成光路可具有更高的集成度。1.2.2 光子晶体光纤 光子晶体光纤是在普通石英光纤中沿轴向方向周期性排列空气孔，端面呈二维周期性的光子晶体结构，由于其具有光子晶体带隙频带，如果在光子晶体中引入缺陷，则在禁带中中的缺陷模式可使得光能在缺陷内有效传播。光子晶体光纤中的光场沿着垂直于光子晶体周期平面的方向传播。相对于传统光纤而言，光子晶体光纤具有不同的光波传输原理。它利用光子晶体所具有的光子频带特性，将特定频率的光波强烈的束缚在纤芯进行传导，光纤的弯曲对于光波的影响非常小，通过光纤结构设计，可以实现在所有的波长保持单模运转，其零色散波长也可以从传统光纤的红外波段移到可见光波段。此外，光子晶体光纤利用其包层周期性的空气孔结构，可将模场面积有效压缩，在实现较强模场束缚能力的同时可以获得较高的非线性系数。尽管传统的光子晶体光纤可以提供较强的光场约束，但是由于其本质上仍受衍射极限的制约，因而无法实现真正的亚波长模式限制。光子晶体光纤中心的亚波长量级空气孔[5]1.2.3 硅基光波导硅基光电子学为片上光互联提供了一种极具前景的技术平台。如果要实现集成电路的光电集成，就需要在硅基上产生光、实