等离子体电路中同步传播的表面等离子体和电子之间相互作用的研究

In this information expansion era, faster information process and larger information capacity ask for a higher miniaturization and large scale integration of functional devices. Since current electric devices are approching their fundamental speed and bandwidth limit that can not keep up with the ever-increasing consumer demand. For recent emerging photonic circuitry, the dimension of photonic components is limited by the diffraction limit, and thus can not be emerged with the nanoscale electric components. Due to the unique properties of surface plasmons, plasmonic circuitry is believed to be a promising solution-effective technology for this problem. In a complete plasmonic circuitry, optical signal encoded in the form of surface plasmons and electric signal which is in the form of electrons are transported in the same waveguide. Therefore, the key problem for the information transportation in such a plasmonic circuitry is the interactions between the two elements. Using silver nanowires as surface plasmon waveguides, we investigate the interactions between surface plasmons and electrons by synchronously recording their co-propagation. Therefore determine the information propagation properties: the effective index, propagation length and propagation losses. This study can lay the theoretical and experimental foundation for the optimization of plasmon waveguide and future practical application of plasmonic circuitry.

在信息膨胀的时代，信息处理的高速和高容量要求相关功能元件的高度微型化和集成化。由于目前电子元器件的发展已接近其传输速度和传输量的极限而无法满足日益增长的信息需求。而新兴的光子电路，由于受到光的衍射的限制，光子元件在尺寸上不能与纳米尺寸的电子元件相兼容。而由于表面等离子体的特殊性能，使得等离子体回路被认为是有希望解决这一问题的有效技术。在一个完整的等离子体回路中，光信号-表面等离子体和电信号-电子在同一个波导中同步传输。因此，二者之间的相互作用便成为信号传输的关键问题。本项目以银纳米线为波导，通过同步记录银纳米线中表面等离子体和电子的传输，探索二者在同步传输中的相互作用，从而确定采用等离子体回路进行信号传输的相关性能：传输的有效波矢，传输距离及传输损耗。该研究可以为优化等离子体回路波导以及未来等离子体回路的实际应用奠定理论和实验基础。

在信息技术飞速发展的时代，人们对于信息的传输速度、存储量以及信息传输器件的微型化都提出了很高的要求。在此基础上，信息传输器件飞速发展。从最早的电子元器件，到后来的光子元器件，直至现在的表面等离子体元器件。表面等离子体元器件既具备电子器件纳米级别微型化的特点，又可以兼具光子器件的传输速度和存储量，具有极大研究发展潜力。在本项目中，我们选取银纳米线作为表面等离子体和电子的同步传输波导。当银纳米线中只有表面等离子体传输时，我们发现，其传输性能与银纳米线的几何参数有关。在直径100 nm~250 nm范围内，表面等离子体的有效折射系数改变不大，而传输长度随纳米线的长度的增加而增加。且实验中发现，根据聚焦聚光内部偏振的非均一性，可以通过改变银纳米线末端在聚焦激光中的位置选择性地激发银纳米线中表面等离子体模式。当在银纳米线两端施加电压时，通过实验确定了直径小于500nm的银纳米中，可以施加的安全操作电压以不超过0.9 V为宜。当表面等离子体和电子在纳米线中同步传输时，通过测量表面等离子体的传输性能以及电子的伏安特性曲线，发现二者之间的传输确实存在相互作用。但二者之间相互作用的具体方式和作用机制还有待进一步的研究。项目研究成果不但在理论上为表面等离子体元器件的发展提供了极大的参考价值，同时也为今后科学研究实践提供了很大的帮助和很好的借鉴作用。