毕业论文课题相关文献综述
微波单向传输器的设计及其特性测试
----开题报告
一，表面等离激元的研究综述
随着理论研究的深入和现代微加工技术的进步，对支持表面等离激元的金属微纳结构体系的研究已经形成了一门新兴学科方向，即表面等离激元光子学[1]。有关surfaceplasmon的中文翻译，一直存在着不同的译法，尤其是不同的学科之间由于习惯的差异和历史原因。通常，我们可以把surfaceplasmon译成表面等离激元，包括表面等离极化激元和局域表面等离激元共振两种。下面对表面等离激元的特点、基本现象，以及其带来的新颖效应及其研究前景的最新发展进行了介绍。
早在一百年前，人们就认识到贵金属纳米颗粒在可见光区表现出很强的宽带光吸收特征。这种现象实质上是由于费米能级附近导带上的自由电子在电磁场的驱动下在金属表面发生集体振荡。我们可通过简单计算金属纳米颗粒表面局域电场的增强因子证实这种共振。对于尺寸远小于共振波长的球型颗粒而言，可以采取静电偶极子近似。LSP共振在金属纳米颗粒光学性质中扮演着关键角色。一个非常重要的特性是LSP共振频率与金属颗粒的形状、尺寸、组分以及环境媒质有密切的关系。对于球形或椭球型颗粒，通过Mie散射理论可得到LSP特性的解析解，而其他情况只能通过数值求解。当粒子尺寸远小于入射光波长时，LSP共振是纯偶极子；对于尺寸较大的颗粒，高阶LSP共振的贡献将会变得更显著。例如，对于直径50nm的球形金属颗粒，采用数值计算方法得到的消光谱的峰值出现的位置与偶极子近似有较大的偏差。但颗粒的表面的电场在共振状态仍然有明显的增强效应。对于金属纳米颗粒，利用LSP局限在一个很小区域的电场增强效应，可以使得许多光学过程的效率得到显著的提高。金属纳米材料在表面拉曼散射增强技术上的重要应用就是典型例证。现在利用这项技术，人们能够实现单分子信号的检测。金属颗粒的等离子激元共振频率以及电场在其周围的分布表现出对颗粒形状、结构和组分的明显依赖性，使得可以在纳米尺度上对电场进行修饰。
在最近十年，与表面等离子激元有关的研究取得了令人鼓舞的进展，而且迅速向其他领域交叉渗透，新的研究分支不断出现。国内关于与表面等离子激元有关的研究进展介绍已有一些报道，涉及表面拉曼增强、传感器件、纳米光子学、左手材料、亚波长光学，及其他一些应用技术。文献[1]则较为全面地介绍了当前与表面等离子激元有关的最新研究进展，所采取的角度侧重相关的基本物理原理。
通过近十年的研究，基于SP的功能器件研究方面已经取得了重要进展[1-3]。与SPP有关的研究内容已经非常广泛，除了能提高近场显微镜的分辨率，提升发光二极管的效率，在纳米尺度实现电磁场的调控，实现隐身等，并在包括数据存储、非线性光学、亚波长结构波导、光镊、生物传感器、太阳能电池等应用研究领域提供了新的机遇。国内许多科研机构都在这一新兴学科方向开展了卓有成效的研究工作。当然为了能够将等离子激元的基础研究成果运用到现实中，人们还需要面临许多挑战，包括研制出传播损耗可以与传统波导相比拟的光频段亚波长尺寸的金属线回路，开发高效的SP光源，基于SP电光、全光和压电调制器，以及利用增益机制实现自主控制，SP光学元件研制，如何将光纤输出信号耦合到SP回路中，研发深亚波长的纳米光刻技术。为此，还需要在这个崭新的学科方向中继续开展更广泛和深入研究。
二、非对称光学传输效应
通常情况下，光在各向同性或各向异性介质中的传播是可逆的。根据洛伦兹互易原理，当传输媒质是与时间无关的线性媒质时，改变光的传播方向并不能改变光的透射特性。因而，大多数光无源器件的输入端和输出端是可以互换的，称之为互易器件。然而在许多实际光通信系统中通常也需要非互易器件。比如，半导体激光器及光放大器等对来自连接器、熔接点、滤波器等的反射光非常敏感，反射光会导致系统性能恶化。在高速直接调制、直接检测光纤通信系统中，后向传输光会产生附加噪声。因此需要用一种特殊的光学元器件来阻止反射光。光隔离器就是一种非互易器件。光隔离器是一种只允许光沿一个方向通过而在相反方向阻挡光通过的光无源器件，或只允许单向光通过的无源光器件，其作用类似于二极管。它通常被使用在光路中用来避免光路中的回波对光源，泵浦源以及其他发光器件造成的干扰和损害。因此，光隔离器在光纤通信、光信息处理系统、光纤传感以及精密光学测量系统中具有重要的作用。常用的隔离器是法拉第光隔离器，其工作原理主要是利用磁光晶体的法拉第效应，即旋光材料在磁场作用下使通过该物质的光的偏振方向发生旋转。对于正向入射的信号光，通过起偏器后成为线偏振光，法拉弟旋磁介质与外磁场一起使信号光的偏振方向右旋45度，并恰好使低损耗通过与起偏器成45度放置的检偏器。对于反向光，出检偏器的线偏振光经过放置介质时，偏转方向也右旋转45度，从而使反向光的偏振方向与起偏器方向正交，完全阻断了反射光的传输。
近来，人们对微结构等离激元材料的光学传输效应产生了极大的研究兴趣。比如，通过在金属薄膜上制备周期性的亚波长小孔阵列，可得到光的增强透射效应[4,5]；通过在小孔周围引入周期性的金属槽，人们可实现光的准直现象。能否利用微结构材料实现光的非对易传输呢？一种办法是利用可控的液晶分子材料和等离激元材料组合，实现非对易传输[6]。与此同时，另一类不同的但却相似的光学现象引起了人们的研究兴趣，即非对称光学传输[7-15]。所用的材料是线性材料，光仍然遵循洛伦兹互易原理（不能用作光隔离器），但光的传输存在着一定的非对称性。比如，如果穿孔金属膜两侧的电介质不同（非对称），这时正向和反向入射时的0级透射谱一致（对易性），但高阶透射谱和总的透射效率存在着差异（不对称性）。再比如，如果材料的入射和透射面不对称，其反射谱和吸收谱也存在着不对称性。最近，有人利用超构材料的偏振转换器和刻有狭缝的光栅偏振器组成混合系统[15]：当正入射时，s偏振的入射光经过偏振转换器偏振方向旋转90度（变成p偏振），可以通过偏振器；反向入射时，s偏振的入射光被偏振器阻隔。但这一系统利用多层的超构材料，结构复杂，不利于实际实施。
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