表面波波导理论的研究
微波技术 第四章 微带和表面波波导
同轴线
扁带同轴线
带状线
3
Microwave Engineering:stripline & microstrip
WBJS
带线
带状线具体结构
– 两块相距为b的接地板，中间放入宽w，厚t的导体，中间填入均匀 的介质。
Microwave Engineering:stripline & microstrip
25
WBJS
特性阻抗的闭式
特性阻抗
– 空气微带Zc0的精确解由Wheeler给出，闭式解由Gupta给出 – Gupta的工作分为分析和综合两大部分 – 1.分析工作(Z01=Zc )
分析问题
求解 Z01 , e
已知 W / h, r
60 h W Zc ln 8 0.25 h e W 1 2 r 1 r 1 h W 1 12 0.04 1 e 2 2 W h
1
W k th , 2b 1 1 ln 2 K (k ) 1 K (k ) 1 1 ln 2 1
0≤k≤0.7 0.7≤k≤1
Microwave Engineering:stripline & microstrip
1/ 2
r 1 0.11 0.23 r 1 r
Microwave Engineering:stripline & microstrip
10
WBJS
特性阻抗的闭式
2 x m 2 1 3 1 x t x b
上述公式对于范围W/(b-t)<10 ，精度可达0.5%
片上共面波导关键技术及其应用研究
片上共面波导关键技术及其应用研究一、本文概述随着微电子技术的快速发展，片上互连技术成为了制约高性能集成电路性能进一步提升的关键因素之一。
片上共面波导（Coplanar Waveguide，CPW）作为一种重要的微波传输线结构，在微波毫米波集成电路、高速数字电路以及微波单片集成电路等领域具有广泛的应用前景。
本文旨在深入探讨片上共面波导的关键技术及其在相关领域的应用研究，以期为高性能集成电路的设计和制造提供有益的参考和启示。
本文首先介绍了片上共面波导的基本结构和传输特性，包括其电磁场分布、传输损耗、色散特性等方面。
在此基础上，重点分析了片上共面波导的设计优化技术，包括介质材料选择、导体材料优化、线宽线距调整等方面，以提高其传输性能和集成度。
同时，本文还关注了片上共面波导的加工制造技术，包括光刻、刻蚀、金属化等工艺流程的优化和改进，以提高其制造精度和可靠性。
在应用研究方面，本文重点探讨了片上共面波导在微波毫米波集成电路、高速数字电路以及微波单片集成电路等领域的应用。
通过实例分析，展示了片上共面波导在提高电路性能、减小电路尺寸、降低制造成本等方面的优势。
本文还展望了片上共面波导在未来集成电路设计中的潜在应用和发展趋势，为相关领域的研究人员提供了有益的参考和借鉴。
本文旨在全面系统地探讨片上共面波导的关键技术及其应用研究，以期推动高性能集成电路技术的不断发展和创新。
二、片上共面波导的基本理论片上共面波导（Coplanar Waveguide, CPW）是一种广泛应用于微波和毫米波集成电路中的传输线结构。
其基本理论涉及电磁波在导体与介质分界面上的传播行为，以及导体结构对电磁波传输特性的影响。
CPW结构由中央导带和两侧的地带组成，所有导体均位于同一平面上，因此得名共面波导。
电磁波在CPW中的传播遵循麦克斯韦方程组，特别是在时谐场下，可以简化为亥姆霍兹方程。
通过求解该方程，可以得到电磁波在CPW 中的传播常数、相位常数、衰减常数等关键参数。
第1章均匀传输线理论详解
第1章
1.1 1.2 1.3 1.4
均匀传输线理论
均匀传输线方程及其解 传输线阻抗与状态参量 无耗传输线的状态分析 传输线的传输功率、 效率与损耗
1.5
1.6 1.7
阻抗匹配
史密斯圆图及其应用 同轴线的特性阻抗
习
题
第1章 均匀传输线理论
传输线
电路：导线
e.g.50Hz交流电电线
无纵向电磁场分量的电磁波称为横电磁波，即TEM
波，TEM波只能够存在于双导体或多导体中。
另外, 传输线本身的不连续性可以构成各种形式的
微波无源元器件 , 这些元器件和均匀传输线、 有源
元器件及天线一起构成微波系统。
第1章 均匀传输线理论
一、传输线的种类
1、双导体传输线（TEM波传输线）： 它由两根或两根以上平行导体构成 , 因其传输的电 磁波是横电磁波（ TEM 波）或准 TEM 波 , 故又称为 TEM波传输线。
dU ( z ) Z I ( z) dz
dI ( z ) Y U ( z ) dz
移相
dU 2 ( z ) dI ( z ) Z Z Y U ( z ) 2 dz dz
dI 2 ( z ) Z Y I ( z) 0 2 dz
dI 2 ( z ) dU ( z ) Y Y Z I ( z) 2 dz dz
从微分的角度，对很小的Δz, 忽略高阶小量,有： u ( z , t ) u ( z z , t ) u ( z , t ) z z i ( z , t ) i ( z z , t ) i ( z , t ) z z 从电路角度，应用基尔霍夫定律，可得： i ( z , t ) u(z, t)+R﹒Δz﹒i(z, t)+ L z - u(z+Δz, t)=0 t u( z z, t ) i(z, t)+G﹒Δz﹒u(z+Δz, t)+ C﹒Δz﹒ -i(z+Δz, t)=0
金属带表面等离子光波导传输特性的分析
金属带表面等离子光波导传输特性的分析摘要自从19世纪麦克斯韦建立了经典电磁场理论之后，电磁技术的应用带来了以电气化、有线和无线通信为标志的技术革新，对人类的科学技术以及生活都产生了深远的影响。
表面等离子光波导提供了一种新型的、独特的导波机制，可以在金属表面上以表面等离子极化波的形式引导光。
而且这种表面等离子光波导不受衍射极限的限制。
在表面等离子光波导中，电场高度集中在金属表面和介质之间的界面上，所以能量的密度极其的强大。
而更重要的是，基于非线性表面等离子光学的有源光学器件将会允许用光来控制光，这种特点也为实现全光集成电路提供来理论上的依据和这种思路。
本文首先简单的说明了表面等离子极化波的发展历史，激发的方法和它的应用领域。
然后对金属带表面等离子光波导的场的分布做全面的分析。
关键词表面等离子光波导，金属薄膜，介质，COMSOLABSTRACTSince the 19th century maxwell established classical electromagnetic field theory, the application of electromagnetic technology after brings to electrification, wired and wireless communication as the symbol of the technical innovation, the science and technology as well as human life have a profound influence. The surface plasma optical waveguide provides a new and unique guided wave mechanism, can be in the metal surface to the form of the surface plasma polarization wave guide light. And the surface plasma optical waveguide from diffraction limit restrictions.In the surface plasma optical waveguide, the electric field highly centralized, with the metal surface and medium between interface, so the energy density extremely powerful. And more importantly, based on the nonlinear optical surface plasmons active optical device will allow light to control the light, this characteristic also to realize all optical integrated circuit provides theoretical basis and to this line of thinking.This paper first briefly explain the surface plasma polarization wave the development history, the methods and it inspired the application fields. Then on the metal surface plasma optical waveguide distribution comprehensive analysis.Key Words The surface plasma optical waveguide、Metal film、Medium、COMSOL目录1 绪论 (1)1.1 研究背景 (1)1.2 小结 (1)2 关于表面等离子波 (2)2.1 表面等离子体 (2)2.1.1 表面等离子体的提出 (2)2.1.2 表面等离子极化波的基本原理 (2)2.1.3 金属膜的选择 (3)2.1.4 表面等离子光波导 (3)2.1.5 研究表面等离子光波导的方法 (4)2.2 表面等离子波的应用 (4)2.3 小结 (5)3 金属带表面等离子光波导中的传输特性的分析 (6)3.1 金属中的波动方程以及其介电常数 (6)3.2 传输特性的概述 (10)3.3 金属带表面等离子波的传输特性 (10)3.4小结 (13)4 总结 (14)4.1 论文研究成果 (14)4.2 展望 (14)参考文献 (16)致谢 (17)1 绪论1.1 研究背景毋庸置疑的是，光电子器件和光电子器件的集成化在21世纪已经进入了各大领域。
狄拉克平面波的等效波导
狄拉克平面波的等效波导摘要在很多论文里或多或少明确了电子作为一种约束电磁波或电子像被电磁场困在一个等效的波导里。
在该文章里我们要表达的是：狄拉克方程使电子和正电子平面波等效成一个电路成为可能,该电路包括一个等效输电线路。
相同的传输线路代表波导里面的一个模式。
因此，就等效波导条件而言，你也可以说是平面波的狄拉克方程中的一个隐式。
所有的计算将依照电路和电磁学的常用理论公式来进行。
不需要借助以前论文提及的克利福德代数。
关键词:等价,波导,狄拉克平面波,电路,电磁场1引言本文介绍了输电线路和狄拉克平面波的等价关系。
在波导里，相同的传输线路是TE、TM模式的代表，因此你也可以说,平面波的狄拉克方程包含一个和平面波等价的隐式类比。
在第二部分,将产生以麦克斯韦方程,波动方程派生的横向分量。
在第三部分，我们将依赖这些方程在x,y引入一个模拟电压V和电流I去等价波导模式。
这样就可以定义一个等效传输线的模式。
在第四部分，在定义了得V和I的比列因素里将有一个自由度。
在一个V和I 因素合适的范围内，V和I的等式将简化狄拉克平面波的形式。
就等效传输线路或者是等效波导来说，狄拉克平面波方程验证了存在一个合适的电路。
为了简单起见，只会在TE模式下扩展计算。
所有的计算将在传统模式下完成，依照电路和电磁学的常用理论公式来进行。
不需要借助以前论文提及的克利福德代数。
2.麦克斯韦方程组在波导中的横向分量在这一部分中,我们推导出方程满意的“横向”分量的E和H。
别是我们考虑一个圆柱波导(无论截面) 与z轴平行。
无阻尼分量E,H被假定有一个分量依赖时间，Z轴可以用e(iwt-ikz)来表示。
对于横向分量E和H,我们将（Ex+iEy)和（Hx+iHy)横向投影到Z 轴。
麦克斯韦方程在自然单位下可表示为；特别的有：其中：对于每一个独立的分量有;公式（1）乘以i倍减（2）得：同样的，公式（3）乘以i加公式（4）得：我们可以对其他两个麦克斯韦方程重复这个过程。
平行平面层波导中目标的回波特性研究的开题报告
平行平面层波导中目标的回波特性研究的开题报告一、研究背景和意义随着雷达技术、通信技术等领域的快速发展，对波导回波特性的研究越来越受到关注。
特别是在平行平面层波导中，目标的回波特性研究已成为一个热点问题。
其中，平行平面层波导是指两个平行的金属板之间通过绝缘材料隔离而形成的空间。
该结构具有较低的传输损耗，可以被广泛应用于微波电路、天线和雷达等领域。
为了实现对目标的高精度定位和识别，需要对平行平面层波导中目标的回波特性进行深入研究，以掌握目标的电磁特性和散射特性。
因此，本研究拟对平行平面层波导中目标的回波特性进行系统研究，旨在深入探讨平行平面层波导的性质、目标的电磁特性和散射特性等方面的问题，为实现对目标的高精度定位和识别提供理论和方法支持。
二、研究内容本研究拟从以下几个方面对平行平面层波导中目标的回波特性进行研究：1. 平行平面层波导的特性研究：分析平行平面层波导的传输损耗和传输特性，探讨其对目标的回波特性的影响。
2. 目标电磁特性和散射特性研究：对不同类型的目标进行分类，并研究其电磁特性和散射特性，以便进一步分析目标的回波特性。
3. 回波特性分析方法研究：基于反向散射原理，分析目标的回波信号特性，建立合适的模型和算法，对回波信号进行分析和处理。
4. 实验验证：通过实验验证所建立的模型和算法，以检验研究结果的可行性和准确性。
三、研究方法本研究将采用理论分析和实验验证相结合的方法，综合应用电磁学、信号处理和机器学习等知识和技术，对平行平面层波导中目标的回波特性进行深入研究。
主要研究内容包括平行平面层波导的特性研究、目标电磁特性和散射特性研究、回波特性分析方法研究和实验验证等方面。
四、预期成果本研究拟通过对平行平面层波导中目标的回波特性进行研究，形成以下预期成果：1. 对平行平面层波导的传输特性进行深入研究，掌握其对目标回波特性的影响。
2. 分类研究不同类型目标的电磁特性和散射特性，并通过回波信号分析和处理，深入探讨目标的回波特性。
基于表面等离子体激元的新型太赫兹波导的研究
一、概述近年来，随着太赫兹技术的飞速发展，新型太赫兹波导作为太赫兹波传输和调控的重要组成部分，受到了广泛关注。
基于表面等离子体激元的新型太赫兹波导因其在太赫兹波段具有优异的传输性能和调控能力，成为了研究热点。
本文旨在系统性地介绍基于表面等离子体激元的新型太赫兹波导的研究现状和发展趋势。
二、基于表面等离子体激元的太赫兹波导概念1. 表面等离子体激元简介表面等离子体激元是一种束缚在金属表面上的电磁波，其能量随着波长的减小而增大，具有特征显著的增强光-物质相互作用效应。
在太赫兹波段，表面等离子体激元具有较长的寿命和波长范围广，是理想的太赫兹波导材料。
2. 基于表面等离子体激元的太赫兹波导概念基于表面等离子体激元的太赫兹波导是利用金属表面等离子体激元作为传输介质，实现太赫兹波的导波传输和调控。
通过设计金属结构和激发激元模式，可以实现太赫兹波的高效传输和局域场调控。
三、基于表面等离子体激元的太赫兹波导研究现状1. 表面等离子体激元在太赫兹波段的应用目前，表面等离子体激元在太赫兹波段的应用主要集中在太赫兹波调控、传感、成像和通信等方面。
其在太赫兹波导领域的应用研究也取得了一系列重要进展。
2. 基于表面等离子体激元的太赫兹波导研究进展基于表面等离子体激元的太赫兹波导研究主要包括波导结构设计、波导传输特性、局域场调控和应用等方面。
通过多种传输介质和波导结构设计，实现了太赫兹波导的低损耗、高效率传输和局域场调控等关键技术突破。
四、基于表面等离子体激元的太赫兹波导的关键技术挑战1. 低损耗传输在太赫兹波段，金属材料的电阻损耗是太赫兹波导传输的关键影响因素，如何有效抑制并降低传输损耗是面临的主要技术挑战。
2. 局域场调控实现太赫兹波的局域场调控是基于表面等离子体激元的太赫兹波导的关键技术瓶颈，需要克服波导结构设计、材料选择和激元模式激发等方面的难题。
五、基于表面等离子体激元的新型太赫兹波导的未来发展趋势1. 新型材料的涌现随着太赫兹材料的不断涌现，如石墨烯、二维材料和纳米结构材料等，在太赫兹波导领域的应用将得到进一步拓展。
分析表面等离子体共振和波导耦合特性
分析表面等离子体共振和波导耦合特性表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）和波导耦合是两种常用的光学传感器技术，广泛应用于生物传感、化学传感和环境监测等领域。
本文将从原理、传感器设计、器件制备和应用等方面进行分析和讨论。
一、表面等离子体共振原理表面等离子体共振是指当入射光与金属表面处的自由电子耦合形成等离子体波，且满足布拉格共振条件时，会发生共振现象。
这种共振现象产生的电磁场分布在金属和介质之间，形成一个等离子体波。
当有物质吸附在金属表面时，由于折射率的变化，会导致等离子体波的共振角度发生变化，从而可以通过测量共振角度的变化来检测物质吸附的情况。
二、传感器设计表面等离子体共振传感器通常由金属薄膜、玻璃基底和波导构成。
其中，金属薄膜是产生等离子体波的重要组成部分，常用的金属包括银、铝和金等。
金属薄膜通常具有一定的厚度，一般在几十纳米至几百纳米之间。
玻璃基底用于支撑金属薄膜，并形成感光材料与金属之间的界面。
波导则用于引导入射光进入金属薄膜，并通过测量出射光来获取传感信号。
三、器件制备表面等离子体共振传感器的制备过程通常涉及光刻、薄膜沉积和表面修饰等步骤。
首先，使用光刻技术在玻璃基底上制作波导结构，以引导光进入金属薄膜。
然后，通过物理气相沉积或溅射等方法在玻璃基底上沉积金属薄膜。
最后，可以通过自组装、化学修饰等方法对金属表面进行修饰，以增强对目标物质的选择性吸附。
四、应用表面等离子体共振传感器在生物传感、化学传感和环境监测等领域有着广泛的应用。
在生物传感中，通过修饰金属表面的生物分子可以实现对特定生物反应的检测，如蛋白质-蛋白质相互作用、抗原-抗体结合等。
在化学传感中，根据目标物质与金属表面的相互作用，可以实现对化学分子的检测，如气体传感、溶液浓度检测等。
在环境监测中，通过修饰金属表面以增强对特定环境因素的敏感性，可以实时监测空气污染、水质污染等环境问题。
综上所述，表面等离子体共振和波导耦合是两种常用的光学传感器技术，能够实现高灵敏度和实时监测等优势。
银纳米线波导的激发、损耗与互联特性研究
中国科学技术大学硕士学位论文银纳米线波导的激发、损耗与互联特性研究姓名：陈金彬申请学位级别：硕士专业：光学指导教师：鲁拥华2011-05-12摘要光学互联可以解决电子互联在延迟、功耗、带宽等方面的限制，光学器件与电子器件的芯片集成可以充分发挥各自的优势，大幅提升信息处理系统的性能。
银纳米线表面等离子体激元(SPP)能够将电磁波束缚在纳米尺度空间内传输，对波导尺寸没有限制，有可能做为纳米光学互联或器件。
本论文主要从实验上研究化学合成的银纳米线SPP 的激发特性、损耗特性、基于银纳米线及银纳米线与ZnO 光波导结构的互联耦合特性。
主要研究内容如下：使用探针将银纳米线弯曲成不同曲率的波导，并采用光学远场激发和探测的方式测量银纳米线的损耗。
通过直银纳米线与弯曲银纳米线端面出射强度的比值扣除传输损耗，我们研究了置于玻璃衬底上银纳米线的弯曲损耗对曲率半径、银纳米线直径和激发波长的依赖关系，分别给出了激发波长分别为632.8nm 和780nm 时，直径约200nm 和270nm 的银纳米线的弯曲损耗系数与曲率半径的定量依赖关系。
弯曲损耗随弯曲半径的减小而迅速增大，而随着银纳米线直径的减小而减小。
研究结果可用于纳米集成光路中弯曲波导的优化设计。
通过搭建银纳米线SPP 的路由传输结构，在同一根银纳米线上改变SPP 的传输距离而不改变激发条件，较为准确地测量了置于玻璃衬底上直径约为200nm 的银纳米线的传输损耗。
在激发波长为632.8nm 和780nm 时，分别测得传输损耗系数为11150-m μ和1-m μ，表明长波激发时的传输损耗小而短波激发时的传输损耗大。
.0923.0 从实验上实现和研究了基于银纳米线波导的耦合器件，包括基于银纳米线的2×2端口分束器、S 形银纳米线波导传输特性和基于银纳米线与ZnO 光波导的耦合分束。
通过改变耦合区长度，2×2端口分束器可以实现任意分束比；S 形银纳米线可用于纳米光学互联，其SPP 透过率仅与银纳米线的曲率和弧长有关，与端口的横向偏移距离无关；银纳米线SPP 可以通过ZnO 光波导激发，具有很高的激发效率，且银纳米线SPP 也可以转换成ZnO 光波导的传播模式；银纳米线可用于ZnO 光波导间的互联，实现衍射极限下光信号在ZnO 光波导间的传输，且具有波长选择性和结构依赖性。
光折变亮表面波及暗表面波的研究的开题报告
光折变亮表面波及暗表面波的研究的开题报告开题报告论文题目：光折变亮表面波及暗表面波的研究研究背景：光折变是指光线在经过不同介质界面时发生的改变，其中是光线折射和反射现象。
表面波是指光线在介质的表面产生的一种波动现象，常常伴随着反射现象。
光折变亮表面波和暗表面波分别是光线经过透明介质时在下方表面和上方表面产生的波动现象。
研究目的：本文旨在研究光折变亮表面波和暗表面波的形成机制及其在实际应用中的应用价值，为光学技术领域的研究提供基础研究支持和实际应用参考。
研究内容：1. 光折变亮表面波和暗表面波的形成机制研究2. 表面波的精确计算方法及其数值模拟研究3. 光折变亮表面波和暗表面波在光学展示和通信领域的应用4. 光折变亮表面波和暗表面波在光学成像领域的应用研究方法：1. 理论分析：对光折变亮表面波和暗表面波的形成机制进行理论分析，建立相关数学模型，探究表面波的物理机理，从而深入研究表面波的性质和特征。
2. 数值模拟：利用数值计算方法建立模拟模型，模拟分析表面波的传播规律及特性，为实验验证提供理论依据。
3. 实验验证：通过实验方法验证理论模型和数值模拟结果，比较分析理论预测和实验结果的差异和一致性，最终得出相关结论和评价。
预期结果：本研究旨在深入探索光折变亮表面波和暗表面波的形成机制及其在实际应用中的应用价值，期望在以下方面取得一些创新性成果：1. 证明表面波的形成与物体的透明性、光线的折射角度、表面的粗糙度等因素有关。
2. 建立准确计算表面波的数学模型，提供数值模拟的理论基础。
3. 通过实验验证表面波的存在性和传播规律，探究表面波的物理特性。
4. 探索光折变亮表面波和暗表面波在实际应用中的应用价值，并提出相应的应用建议和技术改进。
研究意义和应用前景：本研究旨在探究光折变亮表面波和暗表面波的形成机制及其在实际应用中的应用价值，对于拓展光学技术领域的研究，提升光学设备的性能具有一定的指导意义和实际应用价值。
光折变非线性表面光波导的开题报告
光折变非线性表面光波导的开题报告一、选题背景及意义随着信息技术的快速发展，数据通信和光通信在人类社会中的作用越来越重要。
而光波导作为基础设施，是光通信领域中的重要组成部分之一。
传统光波导通常采用线性材料，其折射率随光波强度变化的程度非常微小。
然而，光传输过程中由于弱菲涅尔衍射效应，使得光波在弯曲和分叉处产生散射，导致信号衰减和干扰。
因此，发展新型光波导材料和结构具有重要的科学和应用价值。
近年来，非线性光学领域取得了重大进展，光折变现象是其中的一个重要研究方向。
光折变是指光的折射率随着光波强度增加而变化的现象。
非线性光波导结构可以实现有效的光信号调制、光电开关和全光路由等功能，具有广泛的应用前景。
因此，研究光折变现象及其在非线性表面光波导中的应用对于促进光通信的发展，提高光通信的传输质量和效率方面具有重要的现实意义。
二、主要研究内容和方法本文旨在研究光折变非线性表面光波导的理论和实验实现。
主要研究内容包括以下几个方面：1. 光波导的基本理论：介绍光波导的基本概念、原理和分类；2. 光折变的基本原理：介绍光折变的基本概念、特点和非线性光学效应等；3. 非线性表面光波导的设计与制备：根据光折变效应，设计出一种新型的非线性表面光波导结构，并制备出实验样品；4. 光折变非线性表面光波导的实验研究：通过实验分析光折变非线性表面光波导的基本特性和性能；5. 光折变非线性表面光波导的应用：探究光折变非线性表面光波导在光通信中的应用。
本研究将采用理论分析和实验研究相结合的方法，通过理论计算和光学实验，探究光折变非线性表面光波导的特性和应用。
三、预期研究结果和意义通过该研究，预期达到以下几个方面的成果：1. 建立光折变非线性表面光波导模型，探究其特性和性能；2. 设计制备出一种新型的非线性表面光波导结构，验证其实验可行性；3. 通过实验研究，分析光折变非线性表面光波导的基本特性和性能；4. 探究光折变非线性表面光波导在光通信中的应用前景。
平面晶体波导技术的研究与应用
平面晶体波导技术的研究与应用随着科技的不断发展，人们对于信息传输的需求也越来越高。
在现代通信中，光学通信技术已经被广泛应用，并且受到了越来越多的关注。
而平面晶体波导技术就是其中一项重要的技术。
本文将对平面晶体波导技术的研究和应用进行探讨。
一、平面晶体波导技术的定义平面晶体波导技术是一种基于平面和晶体结构的独特光学传输方式，它利用晶体的周期性结构改变光线传输的方式，实现了光的波导和传输。
因为其具有低损耗、高速度和高度集成等优点，被广泛用于光学通信、激光器、光谱分析等领域。
二、平面晶体波导技术的基础原理平面晶体波导技术的基础原理是基于布拉格反射定律和光衍射原理的。
晶体在光的作用下会发生衍射现象，因此光线在晶体中的传播会受到晶体的结构限制，进而形成波导功能。
在光线传输中，平面晶体波导技术可以实现纵向和横向的光的导向和调制，使光在波导中可以稳定、高速地传输。
三、平面晶体波导技术的分类根据平面晶体波导技术的结构形式和材料类型的不同，该技术可分为：1. 基于二元周期结构的平面晶体波导技术：该技术通过两类介质的周期性排列来产生衍射，实现光线的导向和传输。
这种技术通常使用高折射率材料（如二氧化硅）和低折射率材料（如氧化铌）来制作。
2. 基于三元周期结构的平面晶体波导技术：这种技术通常需要使用三类介质的周期性排列来实现光子晶体的构建，其优点是可以实现更加优异的性能，但也具有较高的制备难度。
四、平面晶体波导技术的应用平面晶体波导技术在很多领域都有着广泛的应用，包括：1. 光学通信领域：平面晶体波导技术可以将光信号进行精确定向和调制，实现光的快速传输和高效利用。
2. 可见光通信领域：由于可见光波长短，且频率高，因此其传输更加容易发生扩散和衰减。
平面晶体波导技术可以很好地解决这个问题，提高可见光通信的传输效率和质量。
3. 激光器制造领域：利用平面晶体波导技术可以精确控制激光器中的光束聚焦和偏转角度，使其具有更高的辐射效率和精准性。
表面波原理
表面波原理表面波原理是指在介质表面上传播的一种波动现象，它是一种特殊的机械波，具有沿介质表面传播的特性。
表面波原理在声波、地震波、电磁波等领域都有着重要的应用，对于信号传输、地质勘探、无损检测等方面都具有重要的意义。
本文将从表面波的产生机制、传播特性以及应用领域等方面进行介绍。
首先，表面波是如何产生的呢？在介质表面上，当有外界的扰动作用于介质表面时，介质分子会受到作用力而产生振动。
这种振动会沿着介质表面传播，并形成表面波。
表面波的产生与介质的性质、外界扰动的频率和振幅等因素都有关系。
在不同的介质中，表面波的产生机制也会有所不同，比如在固体介质中，表面波的产生主要是由于固体分子之间的相互作用力，而在液体介质中，表面波的产生则与液体分子的运动状态有关。
其次，表面波具有哪些传播特性呢？表面波的传播速度通常会受到介质的性质和外界条件的影响。
一般来说，介质的密度越大，表面波的传播速度就会越快；而介质的刚度越大，表面波的传播速度也会越快。
此外，表面波的传播距离通常会受到外界条件的限制，比如在地震波勘探中，表面波的传播距离受到地下介质的影响，会有一定的衰减。
此外，表面波还具有能量集中、传播方向明确等特点，这些特性使得表面波在信号传输、地质勘探等领域有着独特的应用价值。
最后，表面波在各个领域都有着广泛的应用。
在声波领域，表面波被广泛应用于声表面波滤波器、声表面波传感器等领域；在地震勘探中，表面波则被用于地下介质的勘探和成像；在无损检测领域，表面波则被应用于材料的缺陷检测和材料性能的评估。
可以说，表面波原理在现代科学技术领域发挥着重要作用，对于人类的生产生活都有着积极的促进作用。
综上所述，表面波原理是一种重要的波动现象，它具有特殊的传播特性和广泛的应用价值。
通过对表面波的产生机制、传播特性以及应用领域的介绍，我们可以更加深入地了解表面波原理，并且更好地应用于实际生产和科研中。
希望本文对于读者对表面波原理有所帮助，能够在相关领域有所启发和应用。
二维光波导发展历程
二维光波导发展历程1. 引言二维光波导作为一种光学器件，在光通讯、光电子学和光子计算等领域发挥着重要的作用。
本文将探讨二维光波导的发展历程，从最早的理论研究到现代实际应用的实验成果，以期为读者提供全面、深入的了解。
2. 二维光波导的理论研究二维光波导最早的理论研究可以追溯到20世纪60年代，当时研究人员开始发现光在具有特定结构的表面上可以形成类似于电磁场的波导模式。
这些表面波导模式被称为表面等离子体波(Surface Plasmon Polariton, SPP)，并且在金属表面上进行了大量的理论研究。
然而，由于金属材料本身的吸收损耗较大，限制了SPP波导的应用范围。
3. 二维光波导的实验研究随着纳米材料和纳米加工技术的快速发展，研究人员开始尝试使用二维材料作为光波导的基底。
2004年，两位诺贝尔物理学奖得主 Andre Geim 和 Konstantin Novoselov 发现了一种新型二维材料——石墨烯。
石墨烯由一层碳原子排列的二维晶体构成，具有出色的导电性能和宽阻带特性，因此被认为是一种理想的光波导材料。
在石墨烯的发现之后，许多研究人员开始探索将石墨烯与其他二维材料结合起来，形成复合二维光波导结构。
石墨烯和二硫化钼结合后可以形成MoS2/石墨烯异质结构，该异质结构不仅具有优异的电学性能，还具有很好的光学传导性能，可广泛应用于光通信和光电子学设备中。
4. 二维光波导的应用前景二维光波导作为一种新型的光学器件，在信息传输、能量传输和传感等领域具有广阔的应用前景。
在光通信领域，二维光波导可以用于实现高速光信号传输和光子集成电路的构建，从而提高光通信系统的性能和可靠性。
二维光波导还可以用于能量传输和传感应用。
通过微纳加工技术，可以将二维光波导结构与传感器相结合，用于检测和测量各种物理和化学量。
其高灵敏度和快速响应特性使得二维光波导在生物传感和环境监测等领域具有巨大的应用潜力。
5. 总结与展望二维光波导作为光学器件领域的新兴研究方向，经过多年的发展，取得了令人瞩目的进展。
光子晶体表面波导与多模波导的光传输特性的开题报告
光子晶体表面波导与多模波导的光传输特性的开题报告一、研究方向和背景随着信息通信技术的快速发展，光通信技术在传输速率、带宽和可靠性等方面具有独特的优势，成为了未来通信技术的重要发展方向。
而作为光学器件的光子晶体表面波导和多模波导，由于其具有较低的损耗、高的传输效率与方便的制备工艺等优点，成为了广泛研究的对象。
光子晶体表面波导与多模波导的研究不仅有助于加速光通信的发展，而且对于实现光信号处理、光谱分析等方面都具有很高的应用价值。
二、研究内容本次研究主要包括两部分，分别是光子晶体表面波导与多模波导的光传输特性。
具体内容如下：1. 光子晶体表面波导的光传输特性光子晶体表面波导是利用晶格周期性介质的禁带特性，将光波限制在介质表面的波导结构。
在本次研究中，将以光子晶体表面波导为基础，研究其在不同介质环境和尺寸参数下的光学特性。
通过数值模拟和实验测量，探索光子晶体表面波导的传输特性、损耗特性、分支特性等。
2. 多模波导的光传输特性多模波导是在波导中存在多个模式的一种波导形式，由于模式之间的互相交叠，能够形成更加复杂的光场分布。
在研究过程中，将以数值模拟和实验测量为手段，探索多模波导在不同介质环境下的传输特性、模式的耦合效应、非线性效应等。
三、研究意义光子晶体表面波导和多模波导是光学器件中的重要组成部分，具有重要的应用价值，尤其是在光通信、光谱分析和生物医学等领域有很广阔的发展前景。
通过研究光子晶体表面波导和多模波导的光传输特性，可以探索其优化设计方法，提高其传输效率和稳定性，为光学器件的应用研究提供重要的理论指导和实验基础。
全反射原理与表面波的应用
提高光学显微镜分辨率的途径？
超级透镜（Superlens、Hyperlens）
银板超透镜的表面附加亚波长光栅，增强倏逝波， 并转换为转播波。 右图是刻在Cr上的两条宽为50nm，相隔70nm的纳米线, 并用扫描电 子显微镜、普通显微haowei Liu et al. Nano Lett., 2007
近场光镊技术
光镊原理图
主要用于捕获、操控微小粒子， 如生物活体细胞、细胞器、生 物大分子以及纳米颗粒。
优点：非接触、无损伤
近场光纤光镊
带有缺陷的纳米光纤( NF) 对聚苯乙烯颗粒( PS) 的捕获和传输模拟图
结构简单、捕获范围广、捕获数量大和无损伤等优点, 可用于疾病的药物靶向治疗、病毒或恶性细胞的有效清除和 医用水的净化等领域。
测方面。
表面等离子共振原理
隐逝波 当光从光密介质 入射到光疏介质 时（n1>n2）就 会有全反射现象 的产生。
密
疏
密 疏
密
疏
这表示沿x轴方向传播而振幅衰减的一个波，这就是消逝波。 全反射的光波会透过光疏介质约为光波波长的一个深度，再 沿界面流动约半个波长再返回光密介质。光的总能量没有发 生改变。透入光疏介质的光波成为消逝波。
使用带有缺陷的纳米光纤对聚苯乙烯纳米颗粒进行定向传输和可控释 放。( a) ~ ( d) 往NF 中通入功率为39 mW 的980 nm波长的近红外光, 直径为713 nm 的PS 沿着光纤定向运输到缺陷处并聚集; ( e) ~ ( h) 光源关闭, 聚集的颗粒被释放.
利用探针尖 端附近局域 增强场所产 生的强梯度 力来捕获纳 米微粒。
SPR传感器基本结构
光波导耦合器件 金属膜
分子敏感膜
光波导理论与技术_表面等离子体子光波导传感器
SPR传感器的实际应用
SPR传感器可获取紧靠在金属薄膜表面介质层的光学常数, 从而进一步 得到介质的其它信息，如：
– 由膜厚估计成膜物质的结构排列； – 由介质的折射率、膜厚度、吸收系数计算吸附物质的质量, 进而求得相互作
用的生物大分子之间键的参数；
主要用于生物科学和生命科学领域：
– 抗原- 抗体反应测定：用于免疫分析，选择不同抗体用于治疗、检测、诊断。 – 蛋白质相互作用分析； – DNA 与蛋白质相互作用分析，此前一直没有简便快捷的方法； – 实时监测DNA 分子间的相互作用：SPR不仅可用于研究蛋白质- 蛋白质, 蛋
SPR 传感器其他应用
其他应用：
–航天医学、 –生物芯片（利用SPR 相位调制检测蛋白质芯片）、 –扫描近场光学显微技术、 –薄膜光学和膜厚测量、 –全息成像技术、Q开关、 –精密角度测量等领域。
ห้องสมุดไป่ตู้
SPR应用于近场扫描光学显微技术
NSOM 的光纤微探针尖端无法做得很细,因此分辨率只能达 到十几纳米,不能象STM和AFM那样达到原子级分辨率。 SPW 在金属表面传播时,遇到杂质、缺陷等将会发生散射, 此处共振的SPW作圆锥辐射,圆锥顶角与入射角相同。 若AFM的实心针尖在金属表面扫描,将作为一个散射中心, 辐射出的圆锥形光携带针尖处的信息. 由于圆锥辐射光比较微弱, 一般用一个锁相放大器以 一定频率驱动微悬臂,并检 测光电转换器件的输出信 号中的同频成分.
光纤在线传输式
光纤终端反射式
光栅型
SPR检测方式、传感器灵敏度
检测方式： –角度调制：固定λ in，改变θ in –波长调制：固定θ in ，改变λ in –强度调制：固定θ in 、λ in，改变光强 –相位调制：固定θ in 、λ in，测相位变化 传感器灵敏度： –特征参数：共振角(或共振波长) 、共振半峰宽度 (共
表面等离子波导及应用
解此方程组,并整理,可得: 结合式(8) 、(9) 、(10) 可得: k = ω c k2 k1 =. ε1 ε2
{H
E (1) = E (2)
(1)
= H (2)
.
(9)
μ1 ) 和半无限大的 DPS 材料( x > 0 区域、介电常数
(10) (11)
描述:
同性介质中的传播, 可用下面的麦克斯韦方程来 Δ ×E =∂B , ∂t ×H = ∂D , ∂t (1) Δ
亚波长分辩,该特性在实现亚波长尺度的光学器 激发可以采用棱镜耦合或者金属栅格, 使光子与 SPPs 波矢匹配,典型的激发方式有 Kretschman 模 沿着金属 / 介质界面传播 [9-10] 。 型和光栅激发模型。 在这两种情况下, 表面波均 特异材料 ( metamaterials) 具有类金属的光学
和局域特性,并且有望突破衍射极限实现器件的 集成度。 因此可以通过激发表面等离子体波来有 小型化( 如纳米尺寸) , 进而大大提高光子器件的
效调控光的位相、 方向及快慢。 它在许多领域都
SPPs 是一种具有慢传播特性的电磁波, 可以实现 件设计方面将具有广阔的应用前景 [4-8] 。 SPPs 的
具有重要的潜在应用价值, 例如构建等离子波导 本文主要以表面等离子波导在光信号延迟、 滤波 的研究进展及其意义。
Fig. 1 SPPs on the metal / dielectric interface 图 1 金属 / 介质界面上的表面等离子激元
0) ) ,支持电磁波的传播;ENG 材料和 MNG 材料
这就产生了两种效果: 第一,SPPs 波沿金属表面
均不支持电磁波传播, 在这些材料中电磁场为消
方向上的波矢分量增大了, 但在垂直于表面方向 上的波矢分量却变成了纯虚数。 所以 SPPs 波的 场分布局域在表面附近, 并在垂直于界面的两侧
基于表面等离子体的亚波长波导滤波器研究的开题报告
基于表面等离子体的亚波长波导滤波器研究的开题报告一、选题背景随着通讯技术的发展，数据中心、云计算和物联网等领域的需求越来越多，对高速和大容量数据传输的需求也变得越来越迫切。
其中，光通信作为一种高速、大带宽的传输形式，受到了广泛的关注和研究。
而滤波器是光通信中重要的组成部分之一，可以用来选择性传输特定的波长，达到频率分割和信号清晰度提高的效果。
因此，在光通信中研究和开发高性能的滤波器具有重要的意义。
目前，常用的光滤波器主要包括光纤光栅滤波器、微环滤波器等，它们具有体积小、制作简单等优点，但是也存在一些不足之处，如损耗较大、调制精度低等问题。
因此，研究和开发新型的滤波器具有现实意义。
二、研究内容本项目研究基于表面等离子体的亚波长波导滤波器。
表面等离子体是指在玻璃等介质和金属之间存在的一种电磁波，具有亚波长的特点，研究表明可以用于制作滤波器。
而基于表面等离子体的亚波长波导滤波器具有损耗小、成本低、调制精度高等优点。
具体的研究内容包括：1. 设计和制备基于表面等离子体的亚波长波导滤波器。
2. 使用仿真软件对滤波器的性能进行模拟和优化。
3. 测试和分析滤波器的性能，包括波长范围、通带和阻带带宽、损耗等参数。
4. 研究滤波器的应用，如在光通信中的应用等。
三、研究意义本项目的研究成果将具有以下意义：1. 提供一种新型的滤波器设计方案，具有损耗小、成本低、调制精度高等优点，可以用于光通信等领域。
2. 探索基于表面等离子体的亚波长波导滤波器的优化方法和性能特点，为相关研究提供参考。
3. 可以促进我国在光通信领域的技术发展和产业升级。
四、研究方法1. 设计和制备基于表面等离子体的亚波长波导滤波器根据理论和仿真结果，设计出所需的滤波器结构，然后使用光刻等技术进行制备。
2. 使用仿真软件对滤波器的性能进行模拟和优化使用光学仿真软件，对滤波器的电磁场分布、损耗等进行模拟和优化。
3. 测试和分析滤波器的性能使用光谱仪等设备测试滤波器的性能，并对测试结果进行分析。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
( 19 )
由此可得
γ = ωj εμ +ωh22
( 20 )
式中的 h > 0。令 γ = βj ,则有
β =ω εμ +ωh22
( 21 )
令
β 0
=ω0
εμ 00
,
则可证明
β =β0
1+
h
β
2
0
( 22 )
β 0
是
TEM 波情况下的相位常数 。显然 β >β0 , 故
慢波的相速比 TEM 波的相速小 。
收稿日期 : 2005203201
图 1 传播的慢波和辐射的快波 。 ( a)为慢波 , ( b) 为寻常光波 , ( c)为辐射的快波
2
北 京 广 播 学 院 学 报 (自 然 科 学 版 )
第 12 卷
从根本上讲 ,可以把波导分为两大类 ,即“开 波导 ”( openning waveguides)和“闭波导 ”( closed waveguides) 。后者是人们熟悉的封闭的金属管 子 (矩形横截面或圆形横截面 ) ;前者则不具有封 闭性金属结构 ,故从理论上讲其电磁场存在于波 导以外的全空间 。在电磁波的构成上 ,这两类波 导有很大的不同 。在普通波导 (闭波导 )理论中 , 用简正波的组合 (一个本征函数集 )来描写任意 的场 ,可以证明有“有限个非消失波和无限多个 消失波 ”。在开波导中 ,表面波与闭波导中的非 消失波相当 ,对应一个离散谱 。然而 ,开波导中不 存在消失波 ,取而代之的是具有连续谱的辐射场 。 这样 ,人们就把能量集中在开波导附近的波 (表 面波 )称为“聚波 ”,把可以辐射到无穷远处的 、并 不“消失 ”的波称为“漏波 ”[ 2 ] 。后者虽不满足无 穷远处边界条件 ,但在分析时仍可在一定范围内 把部分的场称为漏波 。
→
→
→
Es = Zs ( in ×Hs )
→→
式中 Es、Hs 分别为非理想导体表面的切向电场矢
量 、切向磁场矢量 , Zs 为表面阻抗 ( Zs = Rs + jXs ) 。
在非理想导电平面上 ,场分量必满足 Leontovich
条件 。讨论对象是电波 ( E 波 ,即 TM 波 ) ,故 Hz
= 0。对 Helmholtz方程的分析求解得到
Ex = 0
(1)
Ey = D hγe- hy -γz
(2)
Ez = - D h2 e- hy -γz
(3)
Hx = Dωj ε0 h e- hy -γz
(4)
Hy = 0
(5)
式中 ,γ是传播常数 ,满足
γ2 = - h2 - k2
(6)
k是波数 (对空气 k = k0 ) 。然而 , Leontovich条件
式中 k1 = h1 , jhy2 = h2 ;故 k21 =ω2ε1μ1 - β2 , 而 hy2为
hy2 =εk1 tg ( k1 d) r
( 27 )
图 4 结构中介质层以外场的变化
总之 , Ey 与 y的关系是 :随着 y增大 , Ey 指数地减
小 (图 4) ,衰减速度取决于 hy2 ; 而 hy2之值决定于
+
92 9y2
第 3 期 黄志洵 :表面波波导理论的研究
3
+
92 9z2
=▽ t2
+
92 9z2
;
而
k =ω
εμ;
上述两个矢量方程 (Helmholtz齐次方程 )可对
坐标系 ( x, y, z)分解为 6个标量方程 ,但只需讨论
(▽ 2 + k2 ) Ez = 0 (▽ 2 + k2 ) Hz = 0 z是波传播方向 ,故待解方程统一地表为
因此 ,研究表面波波导 ,就是研究数学的要求如 何巧妙地与物理过程相适应。我们把重点放在平面 结构及圆柱状结构上 ,并尽量简化所使用的数学。
2 平面开波导
电波传播理论与导波理论是没有截然分开的 界限的。例如 ,图 2所示的非理想导电无限大平面 (σ,ε,μ) ,上部为空气区 (ε0 ,μ0 ) ;我们感兴趣的是 z向的波传播。这既可看作是电波传播问题 (非理 想导电平面是地平面 ) , 也可当作是一种“平面开 波导 ”问题。针对 y > 0和 y < 0的不同区域写出场 分量表达式 ,利用边界条件 (在 y 0处场的切向分 量连续 ) ,原则上可以导出特征方程 。这种方法可 以求解传播常数 。另一方面 ,也可以从非理想导体 的表面边界条件出发 ,来推导图 2结构中的场结构 关系 。例如 , Leontovich条件为 [2 ]
导致
Ez = Zs Hx (当 y = 0)
把 Ez、Hx 代入 ,得
h = - ωj ε0 Zs
取 h =αh - βj h ,则得
α h
=ωε0 Xs
β h
=ωε0 Rs
(7)
(8)
(9) (10)
当以上两式满足 , 一种在 z向沿导电平面传播的
波可以存 在 , 且 它 在 y 向 按 指 数 规 律 衰 减 (即
( vp
<
c)
,
必须保证
ω c
是虚数 。由于
ω c
=
h
εμ
( 17 )
所以 h2 < 0就是获得慢波的必要条件 ;要求
h2x + h2y < 0
( 18 )
故要求 hx 或 hy 为虚数 (或两者均是虚数 ) ,才有
可能获得慢波 。函数 co shx x (或函数 coshy y)将是
双曲函数 。但 cosh函数没有零点 , sinh函数只有
成了表面波 (慢波 ) 。换言之 , 使用具有一定值介
电常数的低损耗电介质 , 使之在理想导电金属表
面有足够厚度的敷层 , 我们即可获得一个表面波
导波系统 ,亦即慢波系统 。
以上的论述是针对一种平面波导的 。这种形
(▽
2 t
+ h2 )
=0
( 12 )
- γ2 = k2 - h2
( 13 )
h称为 本征 值或 截止 系数 ; 在 波 解 写 作 下 述 形
式时 : ψ = A co s ( hx x - φ) co s ( hy y - θ) eωj t -γz ( 14)
h可看作是两个系数的合成 :
h2 = hx 2 + hy 2 这里 hx 、hy 均为实数 。现在 , 假定导波系统无损 耗 ,则衰减常数 α = 0, γ = βj ;这时有
一个零点 。然而 ,一般波导的场分布 ,场的切向分
量有两个零点 (理想导体表面电场切向分量为
零 ) 。结论是 , 理想导体的波导系统是不能传输
慢波的 。但如导体非理想导电 (电导率σ≠∞) ,
并不要求场分布有两个零点 ,就有可能产生慢波 。
在慢波传输的条件下 ,式 ( 13)可改为
γ2 = - h2 - k2
摘 要 :表面波是一种沿两媒质之界面传播的电磁波 。本文论述了表面波波导理论的若干进展 ,重点放在平 面结构和圆柱状结构的理论分析上 。1899年 , A. Sommerfeld最早提出 , TM 型表面波可沿一根具有有限电导 率的无穷长圆柱导线传传输 。1950年 , G. Goubau最先在论文中论述了有电介质复盖的单导线的状态 。上述 的 Sommerfeld线 ( SW )和 Goubau线 ( GW )用在微波作远距传输或用作天线馈线 。本文对平面的表面波结构 、 SW 和 GW 作系统分析 ,使用一个统一的观点和方法 ———特征方程法 。文中介绍了近年来使用的新原理 ,即 用一根裸露的导线用来在太赫波波段传送电磁波 。 关键词 :开波导 ;表面波 ;慢波 ; Sommerfeld线 ; Goubau线 ;特征方程 ;太赫波导 中图分类号 : TN814 文献标识码 : A 文章编号 : 1007 - 8819 (2005) 03 - 0001 - 13
β2 = k2 - h2
( 15 )
当
k
=
h
时截止
,
设此时角频率为
ω c
,
故有
故可求相速
β=
εμ
ω2
-
ω2 c
( 15a)
ω vp = β =
c
ω2
1-
c
ω
( 16 )
在推导上式时
假定
与
波导
相
关的
介质
是
空气
,
ε r
1,μr 1。对普通波导而言 ,ω >ωc 时 vp > c, 是
快波 。这时 ,如要得到慢波
ε。若 r
ε r
小
,
hy2之值大 , 则
Ey 下降迅速 。可见 ,
要用
ε r
较小的高频
、微波电介质材料
。其次
,
若
d
大 ,则 hy2大 ,故介质层不可太薄 。总之 , 虽然从理
论上讲 ,场分布在从 2区到空气区的整个空间中 ,
但只要设计上做到上述两条 , 场随 y 衰减很快 。
这时 ,大部分电磁场紧靠电介质的表面 ,这样就形
(▽ 2 + k2 )ψ = 0
( 11 )
ψ叫做波函数 ;由于
ψ( x, y, z, t) =ψ( x, y) eωj t -γz
式中 γ是传播常数 (γ =α + βj ) ;故 ( 11)或可化为
(▽ t2 +γ2 + k2 )ψt = 0
ψ t
即
ψ
(
x,
y) ,表示波解 ;令
h2
=γ2
+ k2 ,则得
1 引言