表面等離子波導(dǎo)及應(yīng)用
2015-02-22 07:29:24王五松張利偉張冶文
中國光學 2015年3期
王五松，張利偉，張冶文
(1.中國振華集團云科電子有限公司，貴州 貴陽550018；
2.貴州航天計量測試技術(shù)研究所 貴州省功率元器件可靠性重點實驗室，貴州 貴陽550009；
3.河南理工大學 物理化學學院，河南 焦作454000；
4.同濟大學 電子與信息工程學院，上海 201804)
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表面等離子波導(dǎo)及應(yīng)用
王五松1,2，張利偉3，張冶文4*
(1.中國振華集團云科電子有限公司，貴州 貴陽550018；
2.貴州航天計量測試技術(shù)研究所 貴州省功率元器件可靠性重點實驗室，貴州 貴陽550009；
3.河南理工大學 物理化學學院，河南 焦作454000；
4.同濟大學 電子與信息工程學院，上海 201804)
摘要：本文在介紹表面等離子波導(dǎo)基本理論的基礎(chǔ)上，主要對表面等離子波導(dǎo)的若干應(yīng)用進行綜述, 包括基于表面等離子波導(dǎo)實現(xiàn)的光學和微波頻段的慢波效應(yīng)、類電磁感應(yīng)透明現(xiàn)象、可調(diào)濾波器，以及通過對電磁波繞射而實現(xiàn)的隱身效應(yīng)等。最后指出該領(lǐng)域存在的問題與挑戰(zhàn)， 并對今后的發(fā)展趨勢進行了展望。分析認為，通過引入增益介質(zhì)、采用超導(dǎo)材料等方法降低表面等離子波導(dǎo)材料的損耗、減少工藝制作的難度是今后亟待解決的問題。
關(guān)鍵詞:表面等離子波導(dǎo)；特異材料；慢波效應(yīng)
Surface plasmon waveguide and its applications
WANG Wu-song1,2, ZHANG Li-wei3, ZHANG Ye-wen4*
(1.YunkeElectronicsCo.,LTD.ofChinaZhenhuaGroup,Guiyang550018,China；
1引言
表面等離子激元(Surface Plasma Polaritons，SPPs)是指沿兩種介質(zhì)的分界面?zhèn)鞑サ碾姶挪?，并且在偏離分界面時，其振幅隨距離增加按指數(shù)衰減[1-2]。它只存在于介電常數(shù)(對TM波)或磁導(dǎo)率(對TE波)符號相反的兩種介質(zhì)的界面上，早在1957年Ritchie就預(yù)言了SPPs的存在[3]。SPPs是一種具有慢傳播特性的電磁波，可以實現(xiàn)亞波長分辯，該特性在實現(xiàn)亞波長尺度的光學器件設(shè)計方面將具有廣闊的應(yīng)用前景[4-8]。 SPPs的激發(fā)可以采用棱鏡耦合或者金屬柵格，使光子與SPPs波矢匹配，典型的激發(fā)方式有Kretschman模型和光柵激發(fā)模型。在這兩種情況下，表面波均沿著金屬/介質(zhì)界面?zhèn)鞑9-10]。
特異材料(metamaterials)具有類金屬的光學性質(zhì)，它的介電常數(shù)(磁導(dǎo)率)在一定的頻段可以為負，因此特異材料結(jié)構(gòu)能夠支持不同頻段的SPPs[11-12]。一般來說，表面等離子體的激發(fā)需要動量匹配，常用的方法有衰減全反射法，然而對于對稱結(jié)構(gòu)的特異材料波導(dǎo)所支持的表面等離子體，可在動量不匹配的條件下，通過垂直入射平面波的方法來激發(fā)[13]。特異材料包含雙負材料、單負材料以及零折射率材料(即有效介電常數(shù)和/或有效磁導(dǎo)率等于零的材料)[14-17]。介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為負的材料稱為雙負材料(DNG，ε<0、μ<0)；單負材料包含電單負材料和磁單負材料兩種類型，其中介電常數(shù)為負而磁導(dǎo)率為正的材料稱為電單負材料(ENG，ε<0、μ>0)，介電常數(shù)為正而磁導(dǎo)率為負的材料稱為磁單負材料(MNG，ε>0、μ<0)。普通介質(zhì)材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都為正(即雙正材料(DPS，ε>0、μ>0))，支持電磁波的傳播；ENG材料和MNG材料均不支持電磁波傳播，在這些材料中電磁場為消逝場。金屬(如金、銀、銅等)在等離子頻率以下，即為ENG特異材料。特異材料的出現(xiàn), 使得SPPs的研究不斷在紅外、微波等其他波段展開[18-19]。
SPPs具有對電磁波在亞波長尺度內(nèi)的約束和局域特性，并且有望突破衍射極限實現(xiàn)器件的小型化(如納米尺寸)，進而大大提高光子器件的集成度。因此可以通過激發(fā)表面等離子體波來有效調(diào)控光的位相、方向及快慢。它在許多領(lǐng)域都具有重要的潛在應(yīng)用價值，例如構(gòu)建等離子波導(dǎo)以實現(xiàn)光信號的延遲、濾波以及隱身等多個方面。本文主要以表面等離子波導(dǎo)在光信號延遲、濾波以及隱身技術(shù)等方面的應(yīng)用為例，來介紹該領(lǐng)域的研究進展及其意義。
2理論基礎(chǔ)
2.1 金屬/介質(zhì)結(jié)構(gòu)中的SPPs
圖1 金屬/介質(zhì)界面上的表面等離子激元 Fig.1 SPPs on the metal/dielectric interface
根據(jù)特異材料理論，在等離子頻率以下金屬可視為電單負特異材料?？紤]金屬/介質(zhì)(ENG/DPS)組合結(jié)構(gòu)，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由半無限大的ENG材料(x<0區(qū)域，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別為ε1、μ1)和半無限大的DPS材料(x>0區(qū)域、介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別為ε2、μ2)構(gòu)成。研究表明[20]，在該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中TM極化的表面等離子波被激發(fā)。
對于頻率為ω的時諧電磁波在均勻﹑各向同性介質(zhì)中的傳播，可用下面的麥克斯韋方程來描述：
(1)
(2)
而對于單頻平面電磁波，則有:
(3)
在x<0區(qū)域，磁場方程可寫為:
(4)
式中：ez為z方向(即垂直于ENG/DPS平面的方向)的單位矢量。此時的電場方程可為:
(5)
式中：ex,ey分別為x(ENG/DPS平面中垂直于界面的方向)，y方向(ENG/DPS界面方向)的單位矢量；k為表面等離子波波矢，k1﹑k2分別為電磁波在ENG/DPS界面兩側(cè)的衰減波矢。c為真空中的光速。
在x>0區(qū)域，磁場方程可寫為:
(6)
因此，此時的電場方程可寫為:
(7)
波矢k1,k2,k之間具有如下關(guān)系:
(8)
根據(jù)電磁場邊界條件，在x=0處有:
(9)
解此方程組，并整理，可得:
(10)
結(jié)合式(8)、(9)、(10)可得:
(11)
對于ENG材料和DPS材料，當μ1=μ2=1時，式(11)可寫為:
(12)
式(12)即為ENG/DPS波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中TM極化表面等離子波的色散關(guān)系。
2.2 金屬/介質(zhì)/金屬結(jié)構(gòu)中的SPPs
考慮金屬/介質(zhì)/金屬(ENG/DPS/ENG)組合結(jié)構(gòu)，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由寬度為d的介質(zhì)(0
(13)
(14)
在該ENG/DPS/ENG波導(dǎo)中，由于兩個ENG/DPS界面上等離子波之間的耦合，導(dǎo)致原來單一的表面等離子激元模式分裂為兩個：對稱模式和非對稱模式。隨著d的減小，這種分裂表現(xiàn)的更強烈，因為d越小兩界面之間的耦合越強烈。式(13)對應(yīng)表面等離子的對稱模式(此時電磁場對稱分布)，式(14) 對應(yīng)表面表面等離子非對稱模式(此時電磁場為非對稱分布)。
2.3 表面等離子波的其他模式
考慮磁單負材料/介質(zhì)材料(MNG/DPS)的組合結(jié)構(gòu)，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由半無限大的MNG材料(x<0區(qū)域，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別為ε1、μ1)和半無限大的DPS材料(x>0區(qū)域、介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別為ε2、μ2)構(gòu)成。在該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中TE極化的表面等離子波色散關(guān)系可寫為[20]:
(15)
另外，對于磁單負材料/介質(zhì)材料/磁單負材料(MNG/DPS/MNG)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(其中，介質(zhì)材料位于0
(16)
(17)
在該MNG/DPS/MNG波導(dǎo)中，由于兩個MNG/DPS界面上等離子波之間的耦合，原來單一的表面等離子激元模式也會分裂為兩個：對稱模式和非對稱模式。并且隨著d的減小，這種分裂表現(xiàn)的更強烈，因為d越小兩界面之間的耦合越強烈。式(16)對應(yīng)表面等離子的對稱模式(此時電磁場對稱分布)，式(17) 對應(yīng)表面表面等離子非對稱模式(此時電磁場為非對稱分布)。
3表面等離子波導(dǎo)及應(yīng)用
在納米光子學中，波導(dǎo)是實現(xiàn)光子回路的基礎(chǔ)，對光波的傳播起導(dǎo)引作用。表面等離子波導(dǎo)作為光子互連元件，能夠同時起到實現(xiàn)光信號的延遲(即減慢光傳播速度)及光子學衍射極限限制的雙重作用。其主要構(gòu)建形式有兩種：第一種是通過金屬/介質(zhì)/金屬、正常材料/負折射率材料/正常材料或者磁單負材料/正常材料/磁單負材料等類似的組合結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。在這類波導(dǎo)中,由于兩界面之間的SPPs波產(chǎn)生耦合, 形成了被限制于介質(zhì)芯層中的SPPs波導(dǎo)模式[22-24]。第二種是通過金屬/介質(zhì)或者磁單負材料/正常材料等類似的組合結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。
3.1 表面等離子波導(dǎo)中的慢光效應(yīng)
減慢光傳播的速度(即實現(xiàn)慢光效應(yīng))是表面等離子激元波導(dǎo)的一個重要用途。與其它支持慢光的結(jié)構(gòu)(如諧振腔的直接耦合等)相比，表面等離子激元波導(dǎo)具有在寬頻帶內(nèi)對電磁場實現(xiàn)亞波長局域的優(yōu)勢。而且由于表面等離子激元特殊的色散關(guān)系，在色散曲線的截止頻率處，表面等離子激元具有明顯的慢波特性[20,25]，甚至能使信號停滯，利用這一點通過此類波導(dǎo)可以實現(xiàn)信號儲存。
文獻[24]基于二維微帶傳輸線構(gòu)建了磁單負材料/介質(zhì)/磁單負材料(MNG/DPS/MNG)波導(dǎo)，結(jié)合該結(jié)構(gòu)中表面等離子激元的色散關(guān)系對該中慢波特性進行微波實驗研究，實現(xiàn)了可調(diào)的慢波效應(yīng)：慢波頻率可通過電路參數(shù)(即有效磁導(dǎo)率)調(diào)節(jié)，同一頻率點的波速度也可通過電路參數(shù)(即有效磁導(dǎo)率)調(diào)節(jié)(圖2)。其中vg為表面等離子波的群速度，vp為相速度群速度最低可達到真空中光速的1/45。圖3(a)為具有不同凹槽深度的金屬分級光柵結(jié)構(gòu)的表面等離子激元波導(dǎo)，左側(cè)凹槽深度和右側(cè)凹槽深度分別為h=50 μm和h=110 μm；通過該結(jié)構(gòu)可以在0.8 THz的帶寬內(nèi)(0.6~1.4 THz)實現(xiàn)慢光(圖3(b)),這里光的群速度變化范圍為c/107~c/102(c為光在真空中的傳播速度),且在該波導(dǎo)色散曲線的截止頻率點，光的群速度可達c/107[18]。2011年，Savo等人基于前向波和后向波簡并機制，對于微波頻段的慢光通過單負特異材料平面波導(dǎo)(磁單負材料/介質(zhì)/磁單負材料波導(dǎo)結(jié)構(gòu))進行了實驗研究，最終獲得了約1/15倍真空中光速的慢光[26]。
圖2 (a)基于二維微帶傳輸線構(gòu)建的MNG/DPS/MNG表面等離子波導(dǎo)； (b)改變單元電容(即MNG材料的有效磁導(dǎo)率)，該波導(dǎo)內(nèi)的表面等離子在不同的截止頻率均為慢波； (c)在固定頻率(f=1.3 GHz)點, 表面等離子波群速度vg和相速度vp隨單元電容值(即MNG材料的有效磁導(dǎo)率)的變化趨勢 [24] Fig.2 (a)MNG/DPS/MNG Spps waveguide based on two dimensional microstrip lines; (b)the SPP waves propagate slowly at different cutoff frequency while the unit capacitor (the effective permeability of MNG metamaterials) is changed; (c)the group velocity vg and phase velocity vp change with the unit capacitor [24]
圖3 (a)具有不同凹槽深度h的金屬分級光柵結(jié)構(gòu)表面等離子激元波導(dǎo)的色散關(guān)系，插圖為分級光柵結(jié)構(gòu)分布(h=50~110 μm)； (b)由色散關(guān)系得出的表面等離子激元模式群速度 [18] Fig.3 (a)Dispersion relations of SPPs metal grating waveguide with different groove depth(h=50~110 μm); (b)group velocity of SPPs from dispersion relations [18]
3.2 電磁感應(yīng)透明現(xiàn)象
電磁感應(yīng)透明(Electromagnetically Induced Transparency，EIT)是量子光學研究的一個基本問題，因其具有慢光效應(yīng)、強烈非線性等突出優(yōu)點，受到了國內(nèi)外科學家的廣泛關(guān)注[27-29]。它是指利用另一束激光對原子媒質(zhì)的光學響應(yīng)進行調(diào)控，使其在原本的吸收譜線內(nèi)出現(xiàn)一個很窄的透明窗口。同時，透明窗口內(nèi)原本由二能級共振所引起的反常色散變成了極其強烈的正常色散。其本質(zhì)是相干布居囚禁，即在兩束光的作用下，三能級結(jié)構(gòu)中的兩個下能級形成相干疊加態(tài)，使兩個下能級到上能級的吸收相干抵消。在發(fā)生電磁感應(yīng)透明的頻率處，介質(zhì)的折射率會有一個快速的變化，從而引起探測光的群速度減慢，甚至停止。
經(jīng)典的量子EIT實驗往往需要苛刻的實驗條件，例如常需要高功率的激光器，極端低溫以及強磁場等實驗條件等[30]。利用特異材料可以方便地實現(xiàn)EIT現(xiàn)象，便于研究其物理特性[31-32]。通過表面等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)EIT效應(yīng)不僅可以使人們更加方便的研究其特性，而且有利于突破衍射極限實現(xiàn)器件的小型化。文獻[33]基于金屬/介質(zhì)/金屬結(jié)構(gòu)的表面等離子激元波導(dǎo)中Fabry-Perot諧振腔之間的相干相消效應(yīng)，通過含有缺陷的表面等離子金屬波導(dǎo)，在理論上研究了類EIT現(xiàn)象(圖4(a))，并對其慢波特性進行了討論(圖4(b))。文獻[34]采用微帶傳輸線方法，基于含有缺陷的由二維特異材料構(gòu)成的磁單負材料/介質(zhì)/磁單負材料表面等離子通道結(jié)構(gòu)(圖5(a)、(b))，在微波波段實驗研究了類-EIT效應(yīng)(圖5(c))并對該效應(yīng)產(chǎn)生的物理機制(即由于兩側(cè)諧振腔的反相諧振，導(dǎo)致兩個缺陷中的電磁波在通道處產(chǎn)生相干相消，如圖5(d)所示)進行了深入研究。
圖4 (a)金屬/介質(zhì)/金屬表面等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以及EIT透射譜(L1=600 nm，L2=610 nm (實線)，L2=620 nm(點線)，L2=630 nm(虛線))； (b)相位折射率與波長的變化關(guān)系(L1=300 nm，L2=310 nm(實線)；L1=600 nm,L2=610 nm(點線))[33] Fig.4 (a)Metal/dielectric/metal SPPs waveguide structure and EIT transmission spectrum(L1=600 nm， L2=610 nm(solid line), L2=620 nm(dotted line), L2=630 nm(dashed line)); (b)relationship between phase index and wave length(L1=300 nm, L2=310 nm(solid line); L1=600 nm, L2=610 nm(dotted line))[33]
圖5 (a)含缺陷的MNG/DPS/MNG表面等離子通道模型； (b)基于二維微帶傳輸線的MNG/DPS/MNG表面等離子缺陷通道； (c)仿真(實線)和測量(虛線)得到的透射譜； (d)含缺陷的MNG/DPS/MNG表面等離子通道電場分布(f=0.55 GHz)[34] Fig.5 (a)MNG/DPS/MNG Spps channel with defects; (b)defected MNG/DPS/MNG Spps channel based on two dimensional microstrip; (c)simulated(solid line) and measured(dotted line) transmission spectrum; (d)the distribution of electric field in defected MNG/DPS/MNG Spps channel[34]
3.3 表面等離子波導(dǎo)濾波器
在未來的高密度集成平臺上，表面等離子波導(dǎo)對于光信號的傳播與處理具有廣闊的發(fā)展前景。由于它具有傳統(tǒng)介質(zhì)波導(dǎo)不具備的特殊性質(zhì)，如突破衍射極限實現(xiàn)器件的小型化(如納米尺寸)等，所以表面等離子波導(dǎo)組件已成為等離子領(lǐng)域的研究熱點之一。迄今為止，已出現(xiàn)許多不同類型的SPPs波導(dǎo)組件，例如彎曲和分離器、Mach-Zehnder干涉儀、Y形組合器等[35-38]。由于波導(dǎo)式濾波器具有損耗小、帶外抑制好等特性，且表面等離子波導(dǎo)濾波器是高密度集成平臺中的重要環(huán)節(jié)，所以出現(xiàn)了許多類型的表面等離子波導(dǎo)濾波器，例如諧振環(huán)濾波器[39-40]、齒形濾波器[41-42]等。文獻[43]研究了含F(xiàn)abry-Perot諧振腔的金屬/介質(zhì)/金屬結(jié)構(gòu)的亞波長波導(dǎo)濾波器，如圖6所示，分別改變參數(shù)g和L，可以實現(xiàn)不同的濾波效應(yīng)。
圖6 (a)含F(xiàn)abry-Perot諧振腔的金屬/介質(zhì)/金屬表面等離子波導(dǎo)濾波器結(jié)構(gòu)示意圖； (b)濾波器透射譜(w1 =w2=50 nm, g=10 nm)； (c)波導(dǎo)透射譜(w1=w2=50 nm, L=500 nm)[43] Fig.6 (a)Metal/dielectric/metal SPPs waveguide filter with Fabry-Perot resonator; (b)the transmission spectrum(w1=w2=50 nm, g=10 nm); (c)the transmission spectrum(w1=w2=50 nm, L=500 nm)[43]
表面等離子波導(dǎo)濾波器不僅可在光頻段實現(xiàn)，而且也可在紅外、微波等其它波段實現(xiàn)。文獻[44]基于二維微帶傳輸線結(jié)構(gòu)構(gòu)建了磁單負材料/介質(zhì)/磁單負材料(MNG/DPS/MNG)表面等離子波導(dǎo)濾波器，該波導(dǎo)濾波器可實現(xiàn)低通、帶阻和帶通3種濾波效應(yīng)，并且通過調(diào)整材料的電磁參數(shù)、調(diào)節(jié)亞波長諧振腔的大小、數(shù)目及耦合間距，可以調(diào)整相應(yīng)的濾波性能。其中低通濾波器的通帶頻率可由構(gòu)成MNG材料的單元電容(即MNG材料的有效磁導(dǎo)率)來調(diào)節(jié)；帶阻濾波器的濾波性能可通過調(diào)整諧振腔長、耦合間距以及諧振腔的數(shù)目來調(diào)節(jié)；帶通濾波器的性能可通過改變諧振腔長以及MNG材料的厚度來調(diào)整。在同一種的電路結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)多種可調(diào)的濾波功能，這種思想將會代表微波電路和光子電路中濾波器設(shè)計的發(fā)展方向。因為它可以簡化濾波器的設(shè)計程序，提高設(shè)計效率。
3.4 表面等離子波的隱身
人們能看到物體，是因為物體對光的散射作用使得散射光線進入到了人們的眼睛。如果能夠減少散射，甚至使光線經(jīng)過物體后能夠恢復(fù)原來的傳播方向，就能夠?qū)崿F(xiàn)隱身。特異材料對電磁波具有負折射效應(yīng)，利用該性能可以達到隱身的目的[45]。研究表明，通過在物體表面包覆一層具有一定介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分布的特異材料能夠使一定波長的電磁波彎曲，從而使電磁波繞過目標，最終達到隱身的目的[46]。同樣，表面等離子波在金屬/介質(zhì)界面?zhèn)鞑r也會出現(xiàn)負折射效應(yīng)[47],利用這一點可以在金屬表面的某些特定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)對表面等離子波傳播的隱身[48]。
依據(jù)金屬/介質(zhì)分界面的表面等離子波色散關(guān)系可知,在特定頻率會出現(xiàn)反常色散(此時表面等離子波的相速度與群速度方向相反)，這時金屬/介質(zhì)分界面對于表面等離子波為負折射材料。結(jié)合這一理論,可以使得在金/聚甲基丙烯酸甲酯(Au/PMMA)界面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x子波的有效折射率為負,而在同一頻率下在金/真空(Au/vacuum)界面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x子波的有效折射率為正。將以上兩種結(jié)構(gòu)組合排列, 并適當設(shè)置各自的比例, 就可以實現(xiàn)表面等離子波在金/真空與聚甲基丙烯酸甲酯組合二維環(huán)狀平面結(jié)構(gòu)的有效折射率產(chǎn)生由負到正的連續(xù)變化，最終使得采用波長0.5 μm的光源激發(fā)的表面等離子波繞開中心的圓形區(qū)域,實現(xiàn)表面等離子波傳播的隱身(圖7)[48]。
圖7 (a)由真空/金/聚甲基丙烯酸甲酯構(gòu)成的二維特異材料隱身結(jié)構(gòu)，插圖為中央?yún)^(qū)域原子力顯微圖像； (b)表面等離子波在該結(jié)構(gòu)中的傳播，λ=532 nm； (c)該隱身結(jié)構(gòu)中的能流分布[48] Fig.7 (a)Two dimensional metamaterial cloak based on vacuum/Au/PMMA, the inset is the atomic force microscopic image of central area; (b)SPP waves propagating in this structure, λ=532 nm; (c)the energy flux distribution[48]
在表面等離子隱身技術(shù)中,變換光學是最有效的設(shè)計方法。除此之外,Engheta等人提出了等離子層和介質(zhì)體“散射相消”的設(shè)計思想來實現(xiàn)隱身，這種設(shè)計思想有望獲得更寬的隱身頻帶[49]；而Milton和Nicorovici等人則設(shè)計了基于負折射材料異常局域共振的隱身方案[50]。
4結(jié)束語
綜上所述，表面等離子波導(dǎo)已成為表面等離子研究領(lǐng)域的熱點之一。多年來，國內(nèi)外多個科研機構(gòu)在這一新興學科方向開展了卓有成效的研究工作，并取得了不少激動人心的結(jié)果。本文介紹了表面等離子波導(dǎo)的基礎(chǔ)理論及若干應(yīng)用，包括寬頻帶、可調(diào)的慢波效應(yīng)和光信號濾波器、隱身等等。除上述幾個方面之外，與表面等離子波導(dǎo)相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域還涉及共振傳感器、納米激光器、顏色濾波器等多個方向。然而，為了能夠?qū)⒈砻娴入x子波導(dǎo)的基礎(chǔ)研究成果運用到工程實際, 人們還需要面臨各種挑戰(zhàn), 例如研制出傳播損耗可以與傳統(tǒng)的波導(dǎo)相比擬的光頻段亞波長尺寸的金屬線回路；開發(fā)基于表面等離子激元的電光、全光和壓電調(diào)制器；以及如何采用增益機制來實現(xiàn)自主控制, 進行表面等離子激元光學元件的研制；如何將光纖輸出信號耦合到表面等離子激元回路中, 開發(fā)深亞波長的納米光刻蝕術(shù)。
目前，本文所展示的表面等離子波導(dǎo)實現(xiàn)方法及應(yīng)用尚處于實驗室研究階段。但可以預(yù)見，隨著特異材料理論和工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，將會涌現(xiàn)更多嶄新的研究成果。未來本領(lǐng)域的研究將主要圍繞以下三個方向：(1)加快表面等離子波導(dǎo)研究成果的實用化進程，如嘗試在光波雷達中的應(yīng)用等；(2)結(jié)合納米技術(shù)以及THz光學，探討表面等離子波導(dǎo)在THz波段的物理特性，進而探索表面等離子波導(dǎo)在THz通信中可能的應(yīng)用；(3)研究降低表面等離子波導(dǎo)能量損耗的方法以適應(yīng)遠距離光通信的需要，因為目前的表面等離子波導(dǎo)主要基于金屬以及半導(dǎo)體材料，導(dǎo)致電磁波的能量損耗較大。其中，降低表面等離子波導(dǎo)材料的損耗(如通過引入增益介質(zhì)、甚至采用超導(dǎo)材料等方法)、減少工藝制作的難度應(yīng)當是首當其沖的問題。
總之，表面等離子波導(dǎo)為科學研究和實際應(yīng)用提供了難得的機遇，它涉及物理、材料、化學、能源等眾多的學科和前沿，且有交叉和融合，這將為科學研究和人類科技進步開辟新的道路。為了實現(xiàn)這些目標，有必要在這個嶄新的學科領(lǐng)域中開展更加廣泛和深入的研究。
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王五松(1978—)，男，河南上蔡人，博士，2012年于同濟大學獲得博士學位, 主要從事特異材料、表面等離子、微波元器件方面的研究。E-mail:wangwusong126@163.com
張冶文(1955—)，男，浙江杭州人，教授、博士生導(dǎo)師，主要從事特異材料、電介質(zhì)材料與駐極體材料方面的研究。E-mail:yewen.zhang@#edu.cn
張利偉(1979—)，男，河南確山人，博士后，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事光子晶體、特異材料、表面等離子體等方面的研究。E-mail:lwzhang@hpu.edu.cn
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2.KeyLaboratoryofPowerComponentsReliabilityinGuizhouProvince,
GuizhouAerospaceInstituteofMeasuringandTestingTechnology,Guiyang550009,China；
3.SchoolofPhysicsandChemistry,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China；
4.SchoolofElectronicsandInformationEngineering,Tongjiuniversity,Shanghai201804,China)
Abstract:On the basis of Surface Plasmon Polariton(SPP) waveguide dispersion relation being derived systemically, the applications of SPP waveguide are summarized in this paper. The slow wave effect in SPP waveguide, the EIT(electromagnetically induced transparency)-like phenomenon, the tunable SPP waveguide filter at optical and microwave frequencies, the SPP waves cloaking through diffraction are mainly introduced. Problems and challenges in this field are pointed out finally, and the future developing trend is prospected. Analysis indicates that reducing the loss of the surface plasmon waveguide materials and the difficulty of the production process by introducing gain mediums and superconducting materials are the problem to be solved urgently in the future.
Key words:surface plasmon waveguide;metamaterials;slow wave effect
作者簡介：
*Corresponding author, E-mail:yewen.zhang@#edu.cn
中圖分類號：TNO11.4； TB383
文獻標識碼:A
doi:10.3788/CO.20150803.0329
文章編號2095-1531(2015)03-0329-11
基金項目：國家自然科學基金資助項目(No.10904032)；貴州省科學技術(shù)基金資助項目(No.J[2014]2076)；貴州省科技計劃資助項目(No.Z[2014]4001)；河南理工大學基金資助項目(No.J2013-09, No.T2015-3)
收稿日期:2014-10-11；
修訂日期:2015-12-13
