表面等离子体激元纳米集成光子器件
微纳光子学
微纳光子学主要研究在微纳尺度下光与物质相互作用的规律及其光的产生、传输、调控、探测和传感等方面的应用。微纳光子学亚波长器件能有效提高光子集成度，有望像电子芯片一样把光子器件集成到尺寸很小的单一光芯片上。纳米表面等离子体学是一新兴微纳光子学领域，主要研究金属纳米结构中光与物质的相互作用。它具有尺寸小，速度快和克服传统衍射极限等特点，有望实现电子学和光子学在纳米尺度上的完美联姻，将为新一代的光电技术开创新的平台。金属-介质-金属F-P腔是最基本的纳米等离子体波导结构，具有良好的局域场增强和共振滤波特性，是制作纳米滤波器、波分复用器、光开关、激光器等微纳光器件的基础。但由于纳米等离子体结构中金属腔的固有损耗和能量反射，F-P腔在波分复用器应用中透射效率往往较低，这给实际应用带来不利。 最近，科研人员提出了一种提高表面等离子体F-P腔波分复用器透射效率的双腔逆向干涉相消法。该方法能有效避免腔的能量反射，使入射光能完全从通道端口出射，极大增强了透射效率。此设计方法还能有效的抑制噪声光的反馈。同时，科研人员利用耦合模方法验证了这种设计方法的可行性。这种波分复用器相比目前报道的基于F-P单腔共振滤波的波分复用器的透射效率提高了50%以上。相关的成果于2011年6月20日发表在Optics Express上，论文题目为：Enhancement of transmission efficiency of nanoplasmonic wavelength demultiplexer based on channel drop filters and reflection nanocavities。 “新兴光器件及集成技术专题报告会”上发布《纳米光子学对光子技术更新换代的重要作用》精彩演讲。报告摘要;从上世纪70年代开始，光子学进入微光子学阶段，经过40年的研究，现在已经比较成熟。以半导体激光器为重点的研究已经逐渐转向对激光控制问题的研究和激光应用的研究。同时，光子技术已经进入光电子技术阶段，其特点是研究开发以电控光、光电混合的器件和系统。光电子技术已经逐步占领了电子技术原有的阵地。它的应用领域已经扩大到人类社会生活的各方面，如光通信与光网，平板显示、半导体照明、光盘存储、数码相机等。光电子产业迅速发展壮大起来。在经济发达国家，光电子产业的总产值已经可以与电子产业相比，甚至超过电子产业。近十年来，国际学术界开始大力发展纳光子学及其技术，使光电子技术与纳米技术相结合，对现有光电子技术进行升级改造。 与国际上科技发达的国家相比，目前我国微纳光子学的研究还不算落后，这从我国在微纳光子学领域发表的论文数量和投稿的杂志级别就可看出。但是我国的光子学研究论文大部分是理论方面的，大多数是跟踪国外的。由于国内缺乏先进的科学实验平台，特别是缺乏制备微纳光子学材料和器件的工艺条件，实验方面的论文比较少（除了少数与国外合作研究的论文），创新的思想无法得到实验验证。微光子学方面的情况尚且如此，在纳光子学方面，由于对仪器、设备、工艺和技术的要求更高，与国外的差距正在加大。 在光电子技术方面，由于国际经济的全球化和我国的改革开放形势，吸引跨国公司将制造、加工基地向我国转移。21世纪初光电子企业的大公司纷纷落户我国。而且大量资金投向我国沿海经济发达地区（如广东、上海和京津地区），建立起一大批中外合资或独资企业。但是这些外国企业或技术人员，控制着产业的高端技术，对我国实行技术垄断，使我国的光电子技术至今还处于“下游”，成为外向加工企业。大多数光电子企业采用这样的生产模式：购买国外的芯片进行器件封装，或者购买国外的器件进行系统组装。目前我国光电子企业严重缺乏核心技术和自主知识产权，无法抵御国际经济危机，面临着很大的风险。 为了加快我国的微纳光子学与相关光子技术的发展，我国应该集中投入一部分资金，凝聚一批高水平研究人才，在某些光电子企业集中的地区，依托光子学研究有实力的单位，采用先进的管理模式，建设我
集成光波导
集成光波导 姜雨萌 12204107 集成光学是关于如何在基片上构造光器件与光网络的学科，与电子集成电路技术相类似。通常，也用集成光电子学与集成光子学来描述这个领域。光子学本身就是光学与电子学相结合产生的学科。集成光学提供将光器件与电器件组合在同一衬底上，以便制造出具有特定功能的系统或子系统知识。集成光器件的尺寸通常在光波长量级，并且具有集成电路的许多优点，如工作稳定、尺寸小以及潜在的低成本。利用集成光学技术，可以设计完整的光发送机、接收机以及中继器，通过光纤实现长距离的光互连。 电磁波主要在中间层传输，其折射率为n1。中间层通常很薄，一般小于一个微米，称为薄膜。薄膜夹在折射率分别为n2和n3的敷层与衬底之间。光线通过内全反射被束缚在中心薄膜中。只有当n2和n3都小于n1时才会发生内全反射。可求得衬底界面上的临界角为 1sin 2n n c =θ, 敷层界面上的临界角可由下式求出1 3sin n n c =θ。
中心薄膜的不均匀性也会使光产生散射从而增加损耗。为了有效地传播光信号，材料的吸收损耗必须很低。对n2=n3的对称结构，我们尤其感兴趣，因为这与光纤的结构很相似。与其类似。光纤由折射率为n1的纤芯以及折射率为n2，包围纤芯的包层组成。n3=1.0的非对称波导也比较重要，这也就是顶部露在空间的集成光路结构。这种情况下，n2是衬底的折射率。 中心薄膜的场是平面波，按角度θ向上传播，另一个以相同角度向下传播。这些波的传播因子可写成k=10n k ,其中，0k 是自由空间的传播因 子。 若被导波的净传播方向是在水平方向上。传播因子在这个方向上的分量为θθβsin sin 10n k k ==，通常称之为纵向传播因子。 折射率的定义是光在自由空间的速度与其在无界介质中的速度的比值。等效折射率eff n 等于自由空间中的光速度与波导中的相速度之比， 也就是ωβ/c n eff =。
表面等离子体共振原理及其化学应用
表面等离子体共振原理及其应用 李智豪 1.表面等离子体共振的物理学原理 人们对金属介质中等离子体激元的研究, 已经有50多年的历史。1957年Ritchie发现, 高能电子束穿透金属介质时, 能够激发出金属自由电子在正离子背景中的量子化振荡运动, 这就是等离子体激元。后来,人们发现金属薄膜在入射光波照射下, 当满足特定的条件时, 能够激发出表面等离子体激元, 这是一种光和自由电子紧密结合的局域化表面态电磁运动模式。由于金属材料的吸收性质,光波沿金属表面传播时将不断被吸收而逐渐衰减, 入射光波的能量大部分都损耗掉了, 造成反射光的能量为最小值, 这样就把反射光谱的极小值与金属薄膜的表面等离子体共振联系了起来。 1.1 基本原理[1] 光与金属物质的相互作用主要是来自于光波随时间与空间作周期性变化的电场与磁场对金属物质中的电荷所产生的影响,导致电荷密度在空间分布中的变化以及能级跃迁与极化等效应,这些效应所产生的电磁场与外来光波的电磁场耦合在一起后,表达出各种不同光学现象。 等离子体是描述由熔融状态的带电离子所构成的系统,由于金属的自由电子可当作高密度的电子流体被限制于金属块材的体积范围之内,因此亦可类似地将金属视为一种等离子体系统。当电磁波在金属中传播时,自由电子会随着电场的驱动而振荡,在适当条件下,金属中传播之电磁波其电场振荡可分成两种彼此独立的模态,其中包含电场或电子振荡方向凡垂直于电磁波相速度方向的横波模态,以及电场或电子振荡方向凡平行波的传播方向纵波模态。对于纵波模态,自由电子将会沿着电场方向产生纵向振荡的集体运动,造成自由电子密度的空间分布会随时间之变化形成一种纵波形式之振荡,这种集体运动即为金属中自由电子之体积等离子体振荡。 金属复介电常数的实部相对其虚部来说,往往是一个较大的负数,金属的这种光学性质,使金属和介质的界面处可传输表面等离子波,使夹于两介质中间的金属薄膜可传输长程表面等离子波。这两类表面波具有不同于光导波的独特性质,例如,有效折射率的存在范围大、具有场
表面等离子体激元简介报告.docx
表面等离子体激元简介 一．表面等离子体激元 表面等离子体（Surface Plasmons）的出现提供了一种在纳米尺度下处理光 的方式。表面等离子体通常可以分成两大类——局域表面等离子体共振 （Localized Surface Plasmon Resonance）和表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons）。局域表面等离子体共振专指电磁波与尺寸远小于波长的 金属纳米粒子中的自由电子的相互耦合，这种等离子体只有集体共振行为，不能 传播，但可以向四周环境辐射电磁波。局域表面等离子体共振可以通过光直接照 射产生。表面等离子体激元指的是在金属和电介质分界面上传播的一种元激发 Excitations），这种元激发源自电磁波和金属表面自由电子集体共振的相互耦
合。表面等离子体激元以指数衰减的形式束缚在垂直于传播的方向，由于它的传 播波矢要大于光在自由空间中的波矢，电磁波被束缚在金属和电介质的分界面而 不会向外辐射，也正是因为这种独特的波矢特性，表面等离子体激元的激发需要 满足一定的波矢匹配条件。 二．SPPs的激发和仿真方法 由于SPSs的波矢量大于光波的波矢量，或者说SPPs的动量与入射光子的 动量不匹配，所以不可能直接用光波激发出表面等离子体波。为了激励表面等离 子体波，需要引入一些特殊的结构达到波矢匹配，常用的结构有以下几种：（1） 棱镜耦合：棱镜耦合的方式包括两种，一种是Kretschmannt方式；另一种是Otto 方式。（2）采用波导结构（3）采用衍射光栅耦合（4）采用强聚焦光束（5）采 用近场激发。 目前主要的仿真方法有以下三种
物理学院2011级研究生光电子学与光子学原理及应用考题
物理学院2011级光学专业研究生 《光电子学与光子学原理及应用》考题 1．简答题 1.1 受抑全内反射有什么特点？ (5分) 1.2 解释下图中的现象。(5分) 1.3 本征半导体、n 型半导体和p 型半导体的Fermi 能级以什么特点？? (5分) 1.4 下图是一个LD 的输出谱，解释三个谱变化的物理含义。 (5分) 1.5 下面的雪崩光电二极管中有什么特点？吸收和倍增发生在什么区域? (5分) 2．计算题 2.1 假设一个光源辐射的频率谱有一个中心频率ν0和谱宽?ν。以波长来衡量， 这个频率谱有一个中心波长λ0和谱宽?λ。显然，λ0 = c/ν0。因为?λ << λ0、?ν << ν0，利用λ = c/ν，证明：谱宽?λ和相干长度l c 满足： c 2000λννλνλ?=?=?，λλ?=?=20t c l c
对于He-Ne 激光器，λ0 = 632.8nm ，?ν ≈1.5GHz ，计算?λ。(15分) 2.2 一个介质平板波导中间薄层是一个厚度为0.2μm 的GaAs ，它夹在两个AlGaAs 层之间。GaAs 和AlGaAs 的折射率分别为 3.66和3.40。假设折射率随波长变化不是很大。截止波长是多少？(大于截止波长时波导中只能传播单模)。如果波长为870nm 的辐射(对应于带隙辐射)在GaAs 层传播，消逝波向AlGaAs 层的贯穿深度是多少？这个辐射的模场直径是多少？(15分) 2.3 内量子效率ηint 给出在正向偏置下电子空穴复合中辐射复合并引起光子发射的比例。非辐射跃迁中，电子和空穴通过复合中心复合并发射声子。由定义， nr r r int 111)(τττη+=+=非辐射复合速率辐射复合速率总复合速率辐射复合速率 τr 是少数载流子在辐射复合前的平均寿命，τnr 是少数载流子通过复合中心复合前的平均寿命。 总电流I 是由总复合速率决定的，而每秒发射的光子数(Φph )是由辐射复合速率决定的。所以，内量子效率ηint 又可以写为： e I h P e I //op(int)ph int νη=Φ==每秒损失的总载流子每秒发射的光子 其中，P op(int)是内部产生的光功率(还没有出腔外)。 对一个在850nm 发射的特定的AlGaAs LED ，τr =50ns ，τnr =100ns 。在100mA 的电流下，内部产生的光功率是多少？(15分) 2.4 一个InGaAsP-InP 激光二极管的光学腔长为200μm ，峰值辐射在1550nm 处，InGaAsP 的折射率为4。假设光学增益带宽不依赖于泵浦电流并取为2nm 。问： （1）对应于峰值辐射的模数是多少？ （2）腔模之间的间隔是多少？ （3）在这个腔中有多少模式？ （4）这个光学腔两端（InGaAsP 的晶面）的反射系数和反射率是多少？(15分) 2.5 一个商用的InGaAs pin 光电二极管的响应度曲线如下图。它的暗电流为5nA 。 (1) 在1.55μm 波长下，导致二倍暗电流的光电流的光功率是多少？在1.55μm 处，光电探测器的量子效率是多少？ (2) 在1.3μm 波长下，如果入射光功率相同，光电流是多少？在1.3μm 处，光电探测器的量子效率是多少？ (15分)
光电子与微电子器件及集成重点专项2019年度项目申报
附件4 “光电子与微电子器件及集成”重点专项 2019年度项目申报指南 为落实《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》《2006—2020年国家信息化发展战略》提出的任务，国家重点研发计划启动实施“光电子与微电子器件及集成”重点专项（以下简称“本重点专项”）。根据本重点专项实施方案的部署，现提出2019年度项目申报指南。 本重点专项的总体目标是：发展信息传输、处理与感知的光电子与微电子集成芯片、器件与模块技术，构建全链条光电子与微电子器件研发体系，推动信息领域中的核心芯片与器件研发取得重大突破，支撑通信网络、高性能计算、物联网等应用领域的快速发展，满足国家发展战略需求。 本重点专项按照硅基光子集成技术、混合光子集成技术、微波光子集成技术、集成电路与系统芯片、集成电路设计方法学和器件工艺技术6个创新链（技术方向），共部署49个重点研究任务。专项实施周期为5年（2018—2022年）。 2019年度项目申报指南在核心光电子芯片、光电子芯片共性支撑技术、集成电路与系统芯片、集成电路设计方法学和器件工 —1—
艺技术5个技术方向启动19个研究任务，拟安排国拨总经费概算6.75亿元。凡企业牵头的项目须自筹配套经费，配套经费总额与专项经费总额比例不低于1：1。 各研究任务要求以项目为单元整体组织申报，项目须覆盖所申报指南方向二级标题（例如：1.1）下的所有研究内容并实现对应的研究目标。除特殊说明外，拟支持项目数均为1~2项。指南任务方向“1.核心光电子芯片”和“2.光电子芯片共性支撑技术”所属任务的项目实施周期不超过3年；指南任务方向“3.集成电路与系统芯片”、“4.集成电路设计方法学”和“5.器件与工艺技术”所属任务的项目实施周期为4年。基础研究类项目，下设课题数不超过4个，参研单位总数不超过6个；共性关键技术类和应用示范类项目，下设课题数不超过5个，参与单位总数不超过10个。项目设1名项目负责人，项目中每个课题设1名课题负责人。 指南中“拟支持项目数为1~2项”是指：在同一研究方向下，当出现申报项目评审结果前两位评分评价相近、技术路线明显不同的情况时，可同时支持这2个项目。2个项目将采取分两个阶段支持的方式。建立动态调整机制，第一阶段完成后将对2个项目执行情况进行评估，根据评估结果确定后续支持方式。 1.核心光电子芯片 1.1多层交叉结构的光子集成芯片（基础研究类） 研究内容：聚焦基于硅基多维度交叉结构的光子集成芯片，—2—
分会场十三微纳米光子学
分会场十三：微纳米光子学 主席：吴一辉（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所） 李铁（中国科学院上海微系统与信息技术研究所） 特邀报告1：半导体太赫兹光频梳 黎华，中国科学院上海微系统与信息技术研究所，博士生导师，研究 员。2009年博士毕业于中国科学院上海微系统与信息技术研究所， 然后分别在德国慕尼黑工业大学、日本东京大学、法国巴黎七大材料 与量子现象实验室开展博士后研究工作，2015年回国工作，2016年 获得中国科学院“百人计划”A类择优支持。主要研究方向为太赫兹 量子级联激光器及其光频梳、锁模激光器、太赫兹成像及高分辨光谱 技术等。在Advanced Science、Optica、Applied Physics Letters、Optics Express等期刊上发表50余篇论文，曾获“2015中国中国电子学会优秀科技工作者”，“上海市自然科学二等奖”（排名第三）、德国“洪堡”学者奖学金、日本JSPS奖学金等。担任科技部973计划课题负责人、国家自然科学基金面上项目（2项）负责人、KJW 项目（2项）负责人等。 报告摘要： 太赫兹（THz）波（频率范围：0.1-10 THz; 1 THz=1012 Hz）位于红外光和微波之间，在国防安全、生物医疗、空间等领域具有潜在应用。由于缺乏高效THz辐射源和探测器，THz波还没有被完全认知，所以其被称为THz间隙（“terahertz gap”）。在1-5 THz 频率范围内，基于半导体电泵浦的光子学器件THz量子级联激光器（quantum cascade laser, QCL）在输出功率和效率方面比电子学和差频器件高，是关键的THz辐射源器件。本报告主要介绍我们在高性能THz核心器件以及半导体光频梳方面的研究进展。在高性能核心器件方面，我们突破分子束外延生长和半导体工艺技术，研制出高功率（1.2 W）、低发散角（2.4°）、宽频率范围THz QCL器件并实现THz高速探测和多色成像。基于高性能半导体THz QCL器件，成功实现THz QCL光频梳以及双光梳。克服传统THz光谱仪在测量时间和光谱分辨率方面的缺陷，开发出基于THz QCL双光梳的紧凑型高分辨实时光谱检测系统，为将来实现新一代THz光谱仪奠定基础。
国际光学与光子学会SPIE简介
国际光学与光子学会SPIE简介 SPIE成立于1955年，致力于推动以光为基础的技术，服务了超过170个国家。SPIE 每年组织或赞助近25个大型技术论坛、展览以及培训项目，范围遍及北美、欧洲、亚洲及澳洲。 1957年，出版了第一期SPIE报刊，举办了第一届国家技术研讨会。 1960年，SPIE报刊刊登了第一组技术论文。 1963年，SPIE举办了第一届研讨班形式的会议并出版了第一批会议记录。 1973年，总部从Redondo Beach迁往加州的Palos V erdes。 1975年，协会收入达到50万美元，实现了财政自给。 1977年，成立了协会金牌奖。总部迁往华盛顿Bellingham。 1995年，举办了成立40周年庆典。合作赞助了在西安举办的国际传感器应用与电子器件展览会。 2000年，SPIE会员Zhores I. Alferov因在半导体异质结构和高速光电子学方面的贡献获得诺物理学奖。 2003年，SPIE数字图书馆启动，提供了期刊和会议纪要的七万篇文献。 现在的光学和光电子学大都围绕信息光学展开研究。在集成光信息处理方面，有光计算、光学互连、衍射光学等前沿领域；在成像方面，较热门的技术有光学计算机断层成像和三维共焦成像系统；在光学传感器方面，人们越来越关注三维传感技术；新一代的全息术和光学信息处理技术也亟待开发。同时，信息光学的材料和装置也成为了热门领域。更加偏向应用领域的还有人机接口与显示技术。当然还有很多基础理论问题，如非线性光学、超快光学现象、散射、位相共轭等。 Statement of Purpose SPIE is an international society advancing an interdisciplinary approach to the science and application of light. About the Society SPIE is the international society for optics and photonics founded in 1955 to advance light-based technologies. Serving approximately 180,000 constituents from more than 170 countries, the Society advances emerging technologies through interdisciplinary information exchange, continuing education, publications, patent precedent, and career and professional growth. SPIE annually organizes and sponsors approximately 25 major technical forums, exhibitions, and education programs in North America, Europe, Asia, and the South Pacific. In 2010, the Society provided more than $2.3 million in support of scholarships, grants, and other education programs around the world.
(完整word版)表面等离激元
表面等离子体共振波长 1.共振波长的基本求解思路 表面等离激元(SP)是指在金属和电介质界面处电磁波与金属中的自由电子藕合产生的振动效应。它以振动电磁波的形式沿金属和电介质的界面传播，并且在垂直离开界面的方向，其振幅呈现指数衰减。表面等离激元的频率与波矢可以通过色散关系联系起来。其垂至于金属和电解介质界面方向电磁场 可表达为: 式中表示离开界面的垂直距离，当时取+，时取一。式中为虚数，引起电场的指数衰减。波矢平行于方向，，其中为表面等离子体的共振波长。由表达式可见，当时，电磁场完全消失，并在时为最大值。 函数，以及电介质的介电常数来求解表面等离激元的的色散关系，由公式: ，可得到等离激元色散关系式为: ，如果假设和都为实数，且 ，则可获得一个较为复 杂的色散关系式 其中， (从实部可以计算SPPs 的波长 '2/x SPP K λπ=，SPPs 的传播距离SPP δ主要决定于虚部''2SPP SPPs k δ=
2. 金属表面等离体子频率的求解 当波矢较大或者时，的值趋向于21P SP ωωε=+ 对于自由电子气，，是金属体电子密度，是电子有效质 量，是电子电荷。因此，随增大而减小。 (1) 具有理想平面的半无限金属 全空间内电势分布满足拉普拉斯方程：由于在方向上介质和金属都是均匀的，所以可令解的形式为得拉普拉斯方程的解 由以及边界条件： 可以得到介质与金属相对电容率之间的关系： ,假设介质的相对电容率为与
频率无关的常数，由金属相对电容率的表示式可知因此金属表面等离体子频率为当介质为真空时，得到金属表面等离体子频率为 (2)金属中存在着大量的价电子，它们可以在金属中自由地运动．由于价电子的自由移动性及电子间存在着库仑相互作用，所以在金属内部微观尺度上必然存在着电子密度的起伏．由于库仑作用的长程性，导致电子系统既存在集体激发(即等离体子振荡)，也存在个别激发(即准电子)．而在小波矢近似下只存在集体激发，故可以将电子密度的傅里叶分量作为集体坐标来描述这种关联，在k 一0的极限下，有式中为单位体积内的电子数．由此方程可以得到金属内等离体子振荡频率 从以上讨论及推导可以看出，金属等离体子振荡实际上是在库仑作用参与下的高粒子数密度系统中电子的集体运动，等离体子就是电子集体振荡的能量量子．由于库仑势场是纵场，因此等离体子是纵振动的量子．以上所讨论的情况没有考虑到金属边界的影响，即认为金属是无限大的，计算得到的频率为块状金属中的体相等离体子频率． 3.金属介电常数的求解 (1)另外，根据Drude 自由电子气模型，理想金属的介电方程可写为: 22()1p i ωεωωτω =-- ,p ω是等离子体振荡频率,,τ是散射速率描述电子运动遭遇散射而引起的损耗， 161311.210/, 1.4510p rad s s ωτ-=?=?对于银,。 (2)球状金属的SP 介电常数可由以下公式给出: 式中为金属周围环境的介电常数。从公式可以得到无限多的模式，在 时得到最低阶介电模式。由于光子通过这些介电模式藕合进入SP ，
基于表面等离子体激元的新型太赫兹探测技术
基于表面等离子体的新型太赫兹探测技术 表面等离子体激元（Surface Plasmonics），是二十一世纪兴起的一个热门光学研究方向，其最大的特点是其在亚波长的尺度上具有一些新奇的特性，利用这些特性，能够实现传统折射和衍射光学无法实现的效果。基于等离子体发展出来的芯片已经能够有效操纵等离子体波，近十几年来，表面等离子体已经在光谱的光学部分中取得了大量的应用。 利用等离子体激元实现太赫兹探测是更晚一些的事情，其重要突破口是AlGaAs 和GaAs半导体纳米结构在获得更高纯度方面取得了进展，从而使表面等离子体的应用拓展到太赫兹（THz）波段成为可能。这种方法能够克服传统天线转化效率低，只能进行单点测量的缺点，能够轻松实现线阵或面阵的低成本快速测量。 即使这样，将表面等离子体应用于太赫兹波段还是有非常大的挑战，这主要是由于表面等离子体本身的局限。虽然表面等离子体能够突破传统的衍射极限，实现更小尺度的光操控，但标准的二维（2D）等离子体激元只有在频率ω> 1 /τ时才可观察到，其中τ为松弛时间，τ会随着温度的升高而降低。这就导致表面等离子体效应仅在足够大的频率（短波长）和足够低的温度下才可见。这样观察太赫兹波仅在低于80K的低温下实现，需要非常严苛的实验室条件。 科学家们为了避免这个限制限制，提出了一种相对等离子体激发方法（relativistic
plasma excitations），这种方法在门控二维电路系统中探测的新型表面子体波。这些弱阻尼的表面子体波在高电导率的电子系统（2πσ> c），具有强烈的极化特性，其能够实现在太赫兹和微波波段探测表面等离子体波。 表面等离子体激元探测太赫兹波的路径 按照如下的技术路径，就可以实现对太赫兹波的探测。 1）特殊设计的宽带天线结构将太赫兹波转换为表面等离子体波的交变电势； 2）利用等离子体波导的不对称性，整流交变电势以产生光响应信号输出 这种方法可以选择探测器的几何形状以匹配特定的THz频带。
纳米光子学综述
关于《纳米光子学》的基本介绍 关键词： 序言 纳米光子学，被定义为纳米技术和光子学的融合学科，是一个新兴的前沿学科。它为基础研究提供了挑战，也为新技术提供了机遇。纳米光子学在市场上已经取得了一定的影响。它是一个多学科交叉的研究领域，为物理学，化学，应用科学，工程学和生物学，以及生物医学技术创造了机遇。 对于不同的人而言，纳米光子学的意义有所不同，在各自的情况下，纳米光子学的定义都显得非常地狭隘片面。一些书籍和综述里包含了纳米光子学的多个方面以供选择。然而，随着时代的发展，有必要出一本关于纳米光子学的专著来提供一个统一综合的体系。本书迎合了这个需要，就纳米光子学提供了统一的，全方位的描述，以满足各个不同学科读者的需要。本书的目的是为这个涉及面广泛的学科提供必要基础知识，以使各个学科的学者都能迅速掌握最低限度的，必要的知识背景用以研究和发展纳米光子学。作者希望本书既能够作为教育与培训的教科书，也可以作为帮助集光学，光子学和纳米技术于一身的领域研究和发展所需要的参考书。本书的另一个目的是引起研究人员，产业部门和企业促进合作的兴趣，在这个新兴科学上，能够制定出多学科交叉的工程，促使随之产生的技术能够发展和转化。 本书包含了集纳米技术，光子学和生物学于一体的理论知识和各种应用。每章开头的引言介绍了读者能从该章获取的知识。每章结尾的知识要点是需要深刻理解的知识，也可以作为前面所陈述内容的回顾。 纳米光子学—纳米技术领域的研究热点 纳米光子学是一个激动人心的崭新的前沿领域，在这里全世界的研究者们尽情发挥着他们的想象力和创造力。它在纳米范围内处理光与物质的相互作用。纳米光子学作为纳米科技新的分支，向基础研究提出了挑战，并为新技术的诞生创造了机遇。人们对纳米科学方面的兴趣来自于已经实现了的费曼的著名言论——“在底层还有很多的空间”（Feyman,1961,“There’s Plenty of Room at the Bottom”）。他指出如果能将一毫米的长度在十亿分之一米的纳米范围内进行分割，可以想象将会有多少片段和组分可进行操控和处理。 我们生活在一个“纳米热”的时代。纳米方面的一切都被认为是极其令人振奋和有价值的。许多国家已经对纳米技术展开积极的研究。2002年，美国国家研究委员会出版了关于美国国家纳米技术计划的详细报告（NRC Report，2002）。虽然不能断言纳米技术对每个问题都能提供一个较好的解决方法，但纳米光子学仍然创造出足以令人振奋的机会并使新技术成为可能，关键的因素是纳米光子学是在一个比光波长还要短的范围内处理光与物质的相互作用，以及它们的应用。撰写本书的目的是想通过对纳米光子学的介绍激发起更多人对这个新领域的兴趣。为了方便起见，书中列举的例子尽可能出自我们研究所开展的激光，光
清华大学电子工程系学科方向
电子工程系学科设置? 通信与信息系统 信号与信息处理 电磁场与微波技术? 物理电子学 电路与系统 电子工程系教学工作? 年本科开课目录? 年研究生课程目录? 各研究所教研室介绍 信息光电子研究所? 一、情况介绍和研究方向 二、年在研的科研项目? 三、课题组介绍（) 通信与微波研究所? 一、情况介绍和研究方向 二、年在研的科研项目? 三、课题组介绍（) 通信技术方向 电磁场与微波技术方向? 高速信号处理与网络传输研究所 一、情况介绍和研究方向 二、年在研的科研项目 网络与人机语音通信研究所? 一、情况介绍和研究方向? 二、年在研的科研项目 三、研究方向(）? 图象图形研究所 一、情况介绍和研究方向 二、年在研的科研项目
三、联系方式? 电路与系统教研室 一、情况介绍和研究方向? 二、年在研的科研项目? 三、研究方向()
电子工程系学科设置 专业设置 本科生专业： ?电子信息科学类 研究生专业： 一级学科???二级学科 电子科学与技术???物理电子学 ????电路与系统 ??????微电子学与固体电子学 ??????电磁场与微波技术 信息与通信工程??通信与信息系统 ??????信号与信息处理 ????电子与通信工程（工硕） 通信与信息系统 学科方向：通信与信息系统 研究课题:、信息传输与接入 、数字信号处理与终端技术 、无线通信技术与系统 、通信网络与交换技术 、通信与信息系统的仿真与集成 依托国家重点实验室及相关学术领域： 微波与数字通信国家重点实验室、集成光电子学国家重点实验室 系内:微波与天线、信息光电子与光电子学、电路与系统、信号与信息处理 跨系、所:微电子学研究所、计算机科学与技术系、自动化系、电机工程与应用电子技术系、工程力学系、材料科学与工程系
纳米光子学1-余
1表面等离子激元（SPPs）： 定义：是在金属表面区域的一种自由电子和光子相互作用的形成的电磁模。 性质：1.在垂直于界面的方向场强呈指数衰减；2.能够突破衍射极限；3.具有很强的局域场增强效应；4.只能发生在介电参数（实部）符号相反（即金属和介质）的界面两侧。激发方式：(1)波导结构：利用波导边界处的倏逝波激发表面等离子体波，使波导中的光场能量耦合到表面等离子体波中。在实际的研究中，常采用光纤做波导，剥去光纤某段的包层，再镀上金属；(2)棱镜耦合：包括两种，一种是Kretschmann 结构，另一种是Otto 结构。Kretschmann 结构适用于金属薄膜，入射光以大于全反射角的角度入射，利用棱镜的高折射率进行波矢补偿，类似于油浸透镜的原理。2sin spp p k n p q l =；对于较厚的金属膜，Otto 结构比较适合。在该结构中，虽然全反射棱镜和金属膜之间有很小的空气间隙(近场区域)，仍可在金属和空气间隙的界面上激发SPPs。(3)光栅耦合：利用光栅引入一个额外的波矢量的增量实现波矢量的匹配。(4)近场耦合：对于粗糙表面，不需要任何额外的结构设计，表面粗糙的衍射效应就可以提供在金属膜表面激发SPPs 所需的波矢补偿即直接的光照射便激发SPPs。(5)NSOM 激发：用一个尺寸小于波长的探针尖在近场范围内去照射金属表面，由于探针尖尺寸很小，从探针尖出来的光会包含波矢量大于SPPs 矢量的分量，这样就能够实现波矢量的匹配。(6)采用强聚焦光束，利用高数值孔径的显微目镜可直接接触到介质层，在介质层与目镜之间涂上匹配油层，高数值孔径能够提供足够大的入射角，实现波矢量匹配，从而激发出表面等离子体波。 2金属电介质界面表面等离子色散关系的物理意义： 1/2m d m d c εεωβεε??=??+??,β为传播常数。m ε表示金属或者半导体介质相对介电常数；d ε表示电介质相对介电常数。其实部和虚部为：1/2d mr r d mr c εεωβεε??=??+??，3/222()mi d mr i mr d mr c εεεωβεεε??=??+?? 物理意义：等离子体中存在的波的频率和波矢之间的关系需满足色散关系，而色散关系完全确定给定条件下等离子体中可能存在的波的全部性质。SPP 色散关系可以完全描述SPP 的光特性，是进行SPP 相关研究的基本理论基础。 3任选一种表面等离子激元应用，简述原理。 表面等离子传感器（图） 偏振光入射到金属薄膜上，经聚焦若入射角度满足()()2121arcsin εωωεωωθ+=，产生SP 激发，SP 与n 有敏感的关系，下面是流体通道，内放有特殊物质，从而折射率n 变化，即θ也变化，角度的变化反应n 变化，从而确定生物组织是否变化。 4光子晶体的基本概念（带隙成因与电子材料的区别） 概念：是一种介电常数周期性调制的微结构材料，尺度为波长量级，具有光子带隙特性的人造周期性电介质结构，是1987年美国贝尔研究中心的Eyablono witch 和普林斯的S.John 分别独立提出了光子晶作的概念。 光子带隙：在一定频率范围内的光子在光子晶体的范围内的某些方向上是禁止传播的。完全带隙，在一定频率范围内，任何偏振与传播方向的电磁波都被严格禁止，这种情况只有在三维晶体中才能实现。光子晶体特性：①抑制自发辐射：带隙中密度力零，自发辐射几乎为零，这也抑制了自发辐射②光子局域化，光子晶体原有的对称性遭到破坏时，即有了缺陷，在光子晶体中禁带就可能出现频宽极窄的缺陷态或域态。与缺陷频率符合的光子会被局限在缺陷位置，而不能向空间传播。 与半导体的区别：半导体：原子周期性排列，原子尺度自然结构，控制电流。1950年电子技术革命。光子晶体：介电常数周期性变化，尺度波长量级，人工结构，控制电磁波传播，现在光学新领域。 与电子材料的区别：①电子和光子具有不同波，可见光400－700nm，电子0.1nm②电子系统遵循薛定谔方程???E )r (V u 2h 22=+??，光子系统依照亥姆霍兹方程()()0E r c E E 22=????+??εω③带隙成因不同：电子在周期场中传播时由于会受到周期势场的布拉格散射会形成能带结绝，带与带之间可能存在带隙，电子波的能量如果落在带隙中，传播是禁止的，电磁波在周期性介质材料中传播时，由于受到调制而形成光子能带结构，频率落在带隙内的电磁波不能通过介质，而被全部反射，即形成光子带隙。 （图） 自然界的光子晶体： 蛋白石：一种天然宝石，以乳白色居多，不同角度观赏呈不周颜色，具有七彩缤纷的外观。成因：含SiO2地下水渗入岩缝沉积形成，沉积1CM3的蛋白石约需10000年。应用：已有多种基于光子晶体的全新光子学器被相继提出，包括无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路。高晶质因子的光学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器，波长分辨率极高而体积极小的超棱镜，具有色散补偿作用的光子晶体光纤，以及提高效率的发光二极管等。光子晶体近期在国际上的应用进一步深化，具体表现在：1、与纳米技术结合，用于制造微米级的激光硅基。2、与量子点结合，使得原子和光子的相互作用影响材的性质，从而达到减小吸收等作用。3、光子晶体的光纤应用。 5微腔的品质因子，精细度，自由电子谱宽度。 光学微腔是一种尺寸在微米量级或者亚微米量级的光学谐振腔。它利用在折射率不连续的界面上的反射全反射散射或衍射效应，至少在一个方面将光限制在一个很小的区域。 最简单模型：（C－J 2模型，即单膜场与二原子能级作用，可给出解析解） )a a a (g a a W 2 W H R d ++++++?=σσ理想腔：无损振荡—Rabi 实际：Dumped 振荡。 三种典型的微腔：1、F－P 腔：Q 不高，模式体积大。2、回单壁模式微腔：轴对称，内反射对光控制，Q 很高，容易集成。3、光子晶体微腔：引入缺陷，Q 高，模式体积小。（画图，公式）
表面等离激元
表面等离激元介绍 定义及原理： 当光波（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生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，如果电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成的一种特殊的电磁模式：电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，这种现象就被称为表面等离激元现象。 性质： 表面等离激元是外界光场与金属中自由电子相互作用的电磁模，在这种相互作用下外界光场被集体振荡的电子俘获，构成了具有独特性质的SPPs 。在平坦的金属/介质界面，SPPs 沿着表面传播，由于金属中欧姆热效应，它们将逐渐耗尽能量，只能传播到有限的距离，大约是纳米或微米数量级。只有当结构尺寸可以与SPPs 传播距离相比拟时，SPPs 特性和效应才会显露出来。随着工艺技术的不断进步，现今已经可以制作特征尺寸为微米和纳米级的电子元件和回路，在这个领域的研究也迅速开展起来。 表面等离激元主要具有如下的的基本性质: 1. 在垂直于界面的方向场强呈指数衰减; 2. 能够突破衍射极限; 3. 具有很强的局域场增强效应; 4. 只能发生在介电参数(实部)符号相反(即金属和介质)的界面两侧。 表面等离激元的激发： 由于表面等离激元在界面附近的电场方向与界面垂直，要激发表面等离激元，光波必须具有与界面垂直的电场分量。此外，在激发表面等离激元的过程中，还需要满足波矢匹配条件。相同频率下，金属与介质界面的表面等离激元与光波的波矢关系可以表示为：2/12 1210)(εεεε+=k k spp ，其中spp k 是表面等离激元波矢，0k 是光波波矢。一般来说，对于介质01>ε；而对于金属，212;0εεε<<且。相同频率时，表面等离激元的波矢大于光波波矢，所以用平面光波无法直接激发出表面等离激元。要想实现光激发，就必须通过特殊方法来补偿光波损失，使波矢匹配条件成立。目前主要通过全反射和散射波矢补偿两种方法。
光电子学与光子学讲义-作业答案(第1、2章)13版.doc
第一章 1.10 Refractive index (a) Consider light of free-space wavelength 1300 nm traveling in pure silica medium. Calculate the phase velocity and group velocity of light in this medium. Is the group velocity ever greater than the phase velocity? (b) What is the Brewster angle(the polarization angle qp) and the critical angle(qc) for total internal reflection when the light wave traveling in this silica medium is incident on a silica/air interface. What happens at the polarization angle? (c) What is the reflection coefficient and reflectance at normal incidence when the light beam traveling in the silica medium is incident on a silica/air interface? (d) What is the reflection coefficient and reflectance at normal incidence when a light beam traveling in air is incident on an air/silica interface? How do these compare with part (c) and what is your conclusion? 1.18 Reflection at glass-glass and air-glass interface A ray of light that is traveling in a glass medium of refractive index n1=1.460 becomes incident on a less dense glassmedium of refractive index n2=1.430. Suppose that the free space wavelength of the light ray is 850 nm. (a) What should the minimum incidence angle for TIR be? (b) What is the phase change in the reflected wave when the angle of incidence qi =85 ° and when qi =90° ? (c) What is the penetration depth of the evanescent wave into medium 2 when qi =85 ° and when qi =90° ? (d) What is the reflection coefficient and reflection at normal incidence (qi =0 ° )when the light beam traveling in the glass medium (n=1.460) is incident on a glass-air interface? (e) What is the reflection coefficient and reflectance at normal incidence when a light beam traveling in air is incident on an air/-glass interface (n=1.460)? How do these compare with part (d) and what is your conclusion? 1.20 TIR and polarization at water-air interface