新兴的表面等离子体光子学——在纳米尺度上实现光子学与电子学完关联姻.pdfVIP

维普资讯 3O卷第 2期 物 理 教 学 V01．30No．2 2008年 2月 PHYSICSTEACHING Feb．2008 新兴的表面等离子体光子学 — — 在纳米尺度上 实现光子学与 电子学完关联姻 顾本源 (中国稃学院物理所 北京 100080) 摘要 众所周知 ，电子回路提供 了控制 电子输运和储存 能力 。但是 ，利用 电路进行数字信息保真传送 时，面临着相 当大 的限制 ，而光子学给 出了一个解决难题 的有效途径 ，构筑基于光纤和光子 回路 的光通信系统，便是一个很好 的方案。不幸的 是 ，光子元件 的尺寸是微米量级 ，而 电子元件和 回路尺寸要小的多(纳米量级)，因此 ，不可能将它们二者集成一体于纳米尺度 的芯片中。表面等离子体光子学的诞生 ，使基于表面等离子体激元的元件和 回路 ，具有纳米尺度 ，从而可实现光子与 电子元 器件 ，在纳米尺度上完美的联姻 。本文简单介绍表面等 离子体光子学的原理，目前现状 ，各种应用，例如等离子体激元芯片， 新型光源，纳米尺度光刘蚀术 ，突破衍射极限的高分辨率成像等 ，以及面临的挑战和未来前景 。 关键词 表面等 离子体亚波长光学 表面等离子体激元芯片 元器件和 回路 一 、 综述 当今微处理器的工艺水平 ，主要基于超快速纳 米级的晶体管 ，尺寸大约5O纳米 。目前快速 晶体管 图 1SPPs的特征尺腰 ( 是 SPP的 电磁场芽 透进金 属 中 的常规生产己不成问题，主要 的问题在 于如何将数 深度 ，以 是 sPP的电磁场穿透进与金属紧贴的介 电材料 中 字信息传送到微处理器的另一端 ，大约几厘米之遥。 深度，是SPPs的传播长度，是入射妃波长)。 随着电路 中集成 晶体管 的数 目指数地增加 ，采用铜 SPPs元件和回路可传送光 电信号于同一个金 导线连接它们 ，已经不能满足要求 了。连线 中信息 属薄膜系统 中，它兼容并蓄光子学和电子学二者 的 延迟的加剧 ，业 己成为阻碍数字 电路速度进 一步提 优点。基于 SPPs的光 电元件或 回路，可制作各种 高的一个瓶颈。微处理器 的提速 ，近一，二年来 ，其 功能器件 ，例如，纳米波导 ，纳米开关 ，调制器 ，耦合 年度增长率已明显地减缓来。 器等等。SPPs在亚波长光学数据存储 ，新型光源 ， 光子互连元件能够携带数字数据的容量是 电子 突破衍射极限的高分辨率光学成像 (显微术)，纳米 互连器的 100倍 ，然而不幸的是 ，光纤光缆的尺寸是 光刻蚀术，生物光学(作为传感器，探测器)等诸领域 电子元件的 100倍 ，由于尺度上不兼容，使两者难于 中都 已经展露 出广 阔的应用前景 。[3 集成于同一 回路 中。一个理想的解决途径是采用表 下面着重介绍 SPPs的若干重要特性 ，新效应 面等 离 子 体 激 元 (SurfacePlasmonPolar