纳米波导的研究 Study of Nanoscale Waveguide 答 辩 人：范宇鹏 专 业 ：电子科学与技术 指导老师：李景镇 教授
文献综述类论文 • • • 查阅文献 介绍研究背景 概述纳米波导的优势 对纳米波导的特性的研究归纳 纳米波导的研究现状 对纳米波导的一些猜想
• 集成电路 集成度的提高不够 • 光通信迅猛发展 • 大规模集成光路
纳米集成光路 • 微纳光源 • 光波导 • 光增强因子
• 纳米波导 • （尺寸限制在亚微米量级范围内） • 有效连接各种纳米光子学器件或单元 • 保证良好、安全的光信号传输 • 执行集成体系内各种复杂的任务
纳米波导的优点 对光场限制作用强 传输损耗低 弯曲半径小 集成度高 非线性高 与传统CMOS 艺兼容
纳米波导器件 • 大大缩小光子器件的长度和面积 • 提高器件 作速度和效率 • 降低器件功耗
纳米尺寸SOI波导 光子晶体光纤PCF 尺寸（量级） 长宽: 亚微米量级 300 nm X 纤芯直径: 亚微米 600 nm X 9. 11 mm ～数十微米 传统石英光纤（单模） 纤芯直径: 亚毫米～ 厘米量级 比传统石英光纤高 4～ 5个 量级≈100, 000 km-1 W-1 ～ 400 km-1 W-1 0. 66 k. Hz/m. W/nm 53. 7 k. Hz/m. W/nm 比PCF中低两个量级 0. 25 k. Hz/m. W/nm 真偶比（C/A） 25 10 较低（2） 拉曼增益系数 10 -9 m/W （无掺杂情况） 3. 34 X 10 -14 m/W 6. 2 X 10 -14 m/W～ 7 X 10 -14 m/W 非线性系数 符合计数（ HBT实验） GVD参量D（ ps. nm/km） (1550 nm) 200(300 nm. X 650 nm)～ 1100(300 nm. X 3500 nm) 损耗 1550 nm 1. 1～ 1. 4 d. B/cm(传输) 艺上的优势 基于成熟的Si技术 和发展情况 有很多新的应用 量级 200 ～ 1000 1. 2 d. B/km 3 W-1 km (标准色散位 移光纤- DSF) 比PCF中低两个量级 0. 15 d. B/km 研究方面多且深入。技术成熟, 激光器等 基于强非线性PCF 有源器件也已取得成 的全光开关器件的 功 尺寸可降到m量级
纳米波导的特性研究 • • 损耗特性 发光特性 光致发光 模式特性 偏振特性 拉曼效应 非线性光学效应
纳米波导的研究现状 理论研究 « 开发应用 « 波导器件的制备技术
纳米波导的制备 • • 百花齐放 技术日趋成熟 制备方法多样化 各种形态
纳米波导开发，应用的不足 • 制备机理研究不成熟 • 纳米波导的形状控制、粒度分布和粒子性 能研究不充分 • 对纳米波导的 艺制备的研究还不够, 已取 得的成果大都停留在实验室和小规模生产 阶段, 对生产规模扩大时将会涉及的问题, 目 前研究很少 • 对纳米波导的合成装置缺乏 程研究, 能进 行 业化生产的设备有待于进一步研究和 改进
关于纳米波导传输特性的猜想 • 截至波长的限制 • 边界非光滑纳米波导
截至波长的限制 • • • 对于波导，是存在截至波长的；但对于纳米波导，据研究表明，并不存 在截止波长的限制。对其原因，有两个猜想。 猜想一： 已经知道，波长大于截止波长的波在波导中传播，波导功率迅速衰减， 在很短的距离内，波长大于截止波长的波衰减到可以忽略。 但对于纳米波导，其尺寸进入了亚微米量级，上面所说的很短距离相对 来说便“变大”了，那么就有可能，在这一尺度范围内，波还未衰减到可以忽略。 猜想二： 在纳米波导中，波的传输原理已经不再是全反射那么简单。 纳米尺度下，要通过计算研究损耗特性等传输特点，可以从两方面来着 手。 一方面，对于各种影响，或者说波导传输表现的特性，最终要归结到光 子和电子的相互作用，要从微观的角度来进行理论解释。 另一方面，可以放下理论，综观各种效应，等效地假设赝边界条件，从 数学的角度的计算。
对于传统波导，表面的非光滑因为其尺寸， 对损耗的影响可以忽略。但对于纳米波导， 要从两方面考虑。 一方面，纳米波导表面的起伏大小仍远 小于波导尺寸以及光波长，那么可以仅考 虑TE偏振光。 • 另一方面，纳米波导表面起伏大小可以 与波导尺寸比拟，那就回到上面第一个问 题的第二个猜想中的方法了。 •
边界非光滑纳米波导 x nc h nf 0 L ns z
![部分参考文献 • • • • • • • • • [1] 徐学俊，余金中，陈少武，SOI纳米线波导和相关器件研究进展，《半导体光电》第 28卷第 1期，2007年](https://present5.com/presentation/535b22ed48b162138deeef0ea038b49d/image-17.jpg "部分参考文献 • • • • • • • • • [1] 徐学俊，余金中，陈少武，SOI纳米线波导和相关器件研究进展，《半导体光电》第 28卷第 1期，2007年")
部分参考文献 • • • • • • • • • [1] 徐学俊，余金中，陈少武，SOI纳米线波导和相关器件研究进展，《半导体光电》第 28卷第 1期，2007年 2月。 [2] 戴道锌，刘柳，盛振，何赛灵，基于Si纳米光波导的新型阵列波导光栅的研究，05 -006，1994 -2009 China Academic Journal Electronic Publishing House。 [3] 陈靖，李玉栋，张艳峰，陆文强，崔国新，刘洪冰，赵立华，许京军，孙骞，A Theoretical. Analysis of Coupled Nanoscale Waveguide A arrays，南开大学学报第 41卷第 4期，2008年 8月。 [4] Dumon P , Bogaerts W , Wiaux V , et al. Low-loss SOI photonic wires and ring resonators fabricated with deep UV lithography [ J ]. IEEE Photon. Technol. Lett. , 2004 , 16 (5) : 1 32821 330。 [5] 张舜元，史保森，郭光灿，纳米结构的硅绝缘材料（SOI）波导，量子光学学报 87 -92，2008。 [6] 袁媛，唐元洪，林良武，硅纳米晶粒的发光特性及其应用，硅酸盐通报第 27卷第 3期，2008年 6月。 [7] 唐爱伟，滕枫，高银浩，梁春军，王永生，Cd. Se纳米晶的制备条件对发光特性的影响，发光学报第 26卷第 5期，2005年 10月。 [8] 潘光虎，张琦锋，张俊艳，吴锦雷，砷掺杂的Zn. O纳米线的发光特性，物理化学学报 2006，22（11）： 1431 -1434 。 [9] 有机小分子纳米线光波导及激光器研究新进展，科学通报第 53卷第 14期，2008年。 [10] Zhao Y S, Fu H, Hu F, et al. Tunable emission from binary organic one-dimensional nanomaterials: An alternative approach to white-light emission. Adv Mater, 2008, 20: 79— 83 [11] Zhao Y S, Fu H, Hu F, et al. Multicolor emission from ordered assemblies of organic 1 D nanomaterials. Adv Mater, 2007, 19: 3554— 3558 [12] 谌小斑，贺英，张文飞，Zn. O纳米线及其器件研究进展，微纳电子技术第 45卷第 10期，2008年 10月。 [13] 巩雄，张桂兰，汤国庆，陈文驹，纳米晶体材料研究进展，化学进展第 9卷第 4期，1997年 12月。 [14] 张祖伟，胡陈果，奚伊，基于Zn. O纳米带的纳米器件，材料导报第 21卷，2007年 5月。 [15] 裴立宅，硅纳米线纳米器件的研究进展，《半导体光学》第 28卷第 2期，2007年 4月。 [16] 吴锦雷，孙晖，张琦锋，Zn. O纳米线的光致激光和电致近紫外发光，第八届全国真空冶金与表面 程学术会议论文集。 [17] 彭英才，x. w. Zhao，傅广生，Si基纳米发光材料的研究进展，科学通报第 47卷第 10期，2002年 5月。 [18] 半导体纳米结构的新光电子学性质，激光与光电子学进展第 6期，2001年。 [19] 王艳新，张琦锋，孙晖，常艳玲，吴锦雷，Zn. O纳米线二极管发光器件制备及特性研究，物理学报第 57卷第 2期，2008年 2月。 [20] 刘丹，马仁敏，王菲菲，张增星，张振生，张学进，王笑，白永强，朱星，戴伦，章蓓，纳米集成光路中的光源、光波导和光增强，物理学报第 57卷第 1期，2008年 1月。 [21] 裴立宅，谭伟，赵海生，俞海云，锗纳米线的性能与应用，微纳电子技术第 45卷第 2 期，208年 2月。 [22] 黄新民，任鑫，朱泓，Zn. O纳米线形态对其光致发光性能的影响，应用化学第 24期，2006年。 [23] 谭艳，唐元洪，裴立宅，陈杨文，硅纳米线拉曼光谱的研究，光谱学与光谱分析第 27卷第 4期，2007年 4月。 [24] 张树霖，付振动，崔艺莘，张思媛，刘卯鑫，夏磊，陈晶，蒋建中，林勇，低维半导体的振动模并没有出现量子限制效应，第十六届全国半导体物理学术会议。 [25] 何继燕，项金钟，方静华，吴兴惠，纳米结构氧化锌的制备及其应用研究进展，云南大学学报（自然科学版），2006，28（S 1）： 286 -292。 [26] 张留成，蔡克峰，纳米氧化锌材料的最新研究和应用进展，材料导报第 20卷，2006年 5月。 [27] 李甲林，唐元洪，李晓祥，李晓川，硅纳米线的发光性能研究及其应用研究，人 晶体学报第 37 卷第 4期，2008年 8月。 [28] Gary Goncher，Raj Solanki，Semiconductor nanowire photovoltaics，Portland State University, Department of Physics, P. O. Box 751, Portland, OR 97207 -0751 [29] Radouane Fikri and Jean Pol Vigneron，Discrete plasmonic nano-waveguide: Numerical and theoretical studies，Laboratoire de physique du solide, Facult′es universitaire Notre-Dame de la Paix, 61 rue de Bruxelles, 5000 Namur, Belgium。 [30] Hirohito Yamada, Tao Chub, Satomi Ishida and Yasuhiko Arakawa ，Si-nanowire optical waveguide devices for optical communications， Fundamental and Environmental Research Laboratories, NEC Corporation, 34 Miyukigaoka, Tsukuba, Ibaraki 305 -8501, Japan [31] 纳米线照亮光子晶体波导，中国光学期刊网: www. opticsjournal. net。 [32] 华盛顿大学夏幼南教授教授访谈：纳米技术宏图展望，科学观察第 1卷第 6期，2006年。 [33] Eisenberg HS, Silberberg Y, Morandotti R, et al. Discrete spatial optical solitons in waveguide arrays[J ]. Physical Review Letters, 1998, 81: 3 383 - 3 386. [34] Christodoulides D N , Joseph R I. Discrete self-focusing in nonlinear arrays of coupled waveguides[J ]. Optics Letters, 1988, 13: 794 - 796 [35] Chu T, Yamada H, Ishida S, et al. Compact 1 ×N thermo-optic switches based on silicon photonic wire waveguides[J ]. Opt. Express , 2005, 13 (25) : 1010910114. [36] Dumon P, Bogaerts W, Wiaux V, et al. Low-loss SOI photonic wires and ring resonators fabricated with deep UV lithography [ J ]. IEEE Photon. Technol. Lett. , 2004 , 16 (5) : 1 328 -1330.
![• • • • • • • • • • • [37] Soref](https://present5.com/presentation/535b22ed48b162138deeef0ea038b49d/image-18.jpg "• • • • • • • • • • • [37] Soref")
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致 谢
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