1. 研究目的与意义（文献综述）

在目前发展的硅基光子集成研究中，由于纳米加工工艺的复杂性，研究人员们普遍选择用较为简单的几何结构来实现特定光学器件的功能。纳米狭缝由于其简单的几何结构、与cmos兼容的制作工艺、场增强特性、在超材料领域的潜力等因素，受到广泛研究者的青睐。在超材料领域中，许多种经典的负折射率结构都可以看作被截断的远小于光波长尺寸的短狭缝波导。虽然纳米狭缝的场局域效果非常好，但其模场仍然深入两侧的金属中，导致损耗过高，有效传输距离仅有10微米量级。要在如此短的有效传输距离中实现载流子色散、载流子吸收等光学非线性效应是不现实的，但好在狭缝中导模的传播常数非常大，所以能够在百纳米距离内实现2π的相位变化，进而发展出了许多种基于狭缝波导的、与现今硅基光子集成平台兼容的纳米光路，包括mz干涉光路、相位调制光路等等。

在狭缝波导的应用中，从自由空间或某种输入端口向狭缝波导的光耦合效率是重要的研究课题，在线性光学中，耦合效率直接决定了输出信号的功率；在非线性光学中，输出电场强度与耦合效率成正比，而电场强度的二次或三次方决定非线性效应的效率。目前已经有的狭缝波导研究大多采用锥形耦合器，邻接自由空间的一端很宽，光通过越来越窄的锥形波导被导入狭缝中。这种耦合器虽然加工方便，效率较高，但由于非最优几何结构、加工误差的影响等因素，耦合效率仍有提高的空间。我们可以用通过fdtd仿真优化耦合器的几何结构，提高效率。根据等效介质理论，电磁超材料可以等效为具有复介电常数和复磁导率的均匀材料。过去的绝大多数工作都专注于它们的实部，以实现负折射率。然而，被忽视的虚部同样十分重要。比如，可以利用它们实现高吸收。通过分别操控介电常数和磁导率，电磁超材料可以实现与自由空间的阻抗匹配，从而达到最小化反射率的目的。用纳米狭缝中稳态光电场的增强倍数来估计非线性效应发生的强度，问题的关键就从非线性效应的强度就转化成了稳态光电场的电场增强倍数。使用fdtd软件或matlab编程计算狭缝波导中的场增强倍数分布图，优化材料和结构使增强倍数最大。最后，查阅常用纳米工艺的资料，估计加工前面仿真中所设计器件的价格，根据成本和性能讨论哪一种结构最好。

2. 研究的基本内容与方案

1. 结合麦克斯韦方程，利用软件仿真分析狭缝波导，根据波导中模式的分布特性来深入分析其在场分布和光学非线性效应方面的调控原理，为进一步波导设计及参数优化提供理论依据。分析出狭缝波导中电场能量分布的特征，得出提高狭缝波导的中间狭缝区光场能量增强的基本方法。

2. 推导导波光学中金属包覆介质平板波导的tm₀模色散方程，了解模式耦合效率的估计方法或精确计算方法，实现模式能量集中，使得波导器件在相同尺寸下具有更高的非线性系数，设计不同的耦合器结构，分析狭缝波导的场分布和非线性调控原理，可优化设计出所需要的耦合器结构，并使得设计出的完美吸收器的非线性效应的效率尽可能地高。

3. 使用fdtd软件或matlab编程计算狭缝波导中的场增强倍数分布图，分析统计场增强倍数的影响因素，减少其中的干扰项，优化材料和几何结构使电场增强倍数最大。

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   3. 研究计划与安排

   第1－3周：查阅导波光学教材，推导TM0模式色散方程，学会用MATLAB求解该方程，完成开题报告；
   第4 - 6周：完成英文文献翻译，查阅文献找到常用几种光学非线性材料的非线性极化率的值；
   第7 - 9周：学会用FDTD solutions计算带有非线性极化率材料的光电场稳态解；
   第10－13周：尝试多种材料，不断优化几何结构，在单位面积光功率一定的条件下，使电场增强最大化。
   第14－15周：完成并修改毕业论文

   第16周：准备论文答辩

   4. 参考文献（12篇以上）

   [1]黄增智.硅基狭缝波导设计制备及其应用[d].武汉:华中科技大学,2017.
   [2]lee k l,huang j b,chang j w,et al.ultrasensitive biosensors using enhanced fano resonances in capped gold nanoslit arrays[j].scientific reports,2015, 5:8547.
   [3]lee b,yun j g,kim j, et al. magnetic field enhancement in dielectric island assisted by metal nanoslit arrays[c]. frontiers in optics. 2016.

   [4]吴江滨.2009年度诺贝尔物理学奖得主高馄与光通信[j].物理通报,2009,11:1-3.

   [5]周海峰.新型硅基集成光子器件的研究[d].杭州:浙江大学玉泉校区,2009.

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