- 文献综述及主要参考文献
1 引言
微纳电子学是在光子学和微电子学发展的基础上，采用集成的方法研究和发展光电子器件的一门新学科，其核心是集成电路。微纳电子学的研究，涉及系统和电路的设计理论，材料学的新兴材料研究，半导体物理器件和超大规模集成电路等多方面的领域。微纳电子学和固体物理、材料学、集成电路等学科交叉形成新的研究领域和方向，这些新的研究不断的成为研究的新兴热点。本文介绍了光子晶体的物理特性及其基本结构，并对波导传输特性进行分析，为表面等离子体波导的进一步应用提供依据和参考。
2 光子晶体
光子晶体[1]的学科理论是从固体物理学中电子物理学分离出来的。光子晶体的特性基本可以类比电子晶体来比较。光子晶体是一种折射率周期性变化的介电结构，光子晶体是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。光子晶体即光子禁带材料，从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波，当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙[6]。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。按维数来分，光子晶体可被分为一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体。由于光子晶体有类似电子晶体的结构，人们通常采用分析电子晶体的方法结构电磁理论来分析光子晶体的特性，并取得了和试验一致的结果。主要的方法有：平面波展开光子晶体法、传输矩阵法、有限差分时域法和散射矩阵法等。
3金属表面等离激元波导
当光波入射到金属与电介质分界面时，金属表面的自由电子随电场发生振荡，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，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，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[3]。其特点是电磁场局域在介质分界面上，沿金属传播，从表面到两种介质内部都是指数衰减的。表面等离激元作为光与金属纳米机构表面自由电子相互作用产生的一种电磁模式，强烈的依赖于金属纳米结构的形状，尺寸，材料以及周围介质环境。根据sp在不同尺寸金属纳米结构的光学性质，表面等离激元分为局域表面等离激元和表面等离激极化激元。
总的来说，表面等离激元[4]有以下三个方面的基本性质：（1）突破了传统光学的衍射极限，将电磁能量聚集到亚波长尺寸。（2）增强纳米结构表面电磁场。（3）只能发生在介电常数实部符号相反的界面两侧，且电磁场在垂直界面的方向上呈指数衰减，将电磁场能量紧紧的束缚在金属纳米结构表面。在原来的技术条件下，金属表面等离激元没有得到应用。但随着微电子科学技术的发展，现有的技术已经可以在纳米尺度上制作光电子器件，使得这项技术得到应用。
表面等离激元波导[5]可以突破衍射极限，在纳米尺度上传输光信号，所以有希望用于来集成电路中各部分的数据互联，也可以用于据称光路中光路部分于电路部分的数据互联，有着广阔的应用前景。在波导中，对光的约束与损耗时相对的，波导尺寸越小，损耗越大，传输距离越短。
4 混合表面等离子波导
表面等离子体波导[2]（SPW）主要有以下几种类型：金属纳米带型（NPP），楔形金属型（WPP），沟槽型（CPP）和混合表面等离子体型（HPP）。金属纳米线型能有效减少光场的散射，但其制作受到工艺水平的限制。金属条型由放在介质上的金属条构成，其传播损耗较大，但是在制作工艺上比较有优势。金属脊型的波导是在金属上刻蚀出三角脊，由于在顶角出表面等离子体激元的震荡强度很大，相当于两个金属脊型的模式耦合后产生新模式。这种模式有着更强的模场限制能力，但是实际工艺制作中不可能制作出尖锐的切角。混合表面等离子型波导（HPP）主要由一个半导体波导和表面等离子波导构成，两者之间有一层薄的介质层。两个结构的模式耦合后在薄介质层中能形成增强的光场。由于光场在薄介质层的损耗较低，HPP在模场局域和传播长度方面有着独特的性能。HPP实现了同时具有较小的模场体积和较远的传播距离双重特性。
