纳米光纤中的光场和倏逝场理论及仿真开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

光纤是现代光通信和光传感的重要器件，随着器件设计理论和制备工艺技术的发展，以及对器件工作性能和能量消耗等要求的提高，减小器件尺寸、提高集成度，将光子器件与微电子、光电子器件在纳米尺度上混合集成已经成为必然趋势，这就要求光纤向纳米尺寸发展。目前纳米光纤主要应用于近场光学显微镜和纳米光纤生物传感器中。传感器性能和光纤灵敏部分的尺寸和倏逝波在传导模中所占的比例直接相关，因此，研究纳米光纤中的光场和倏逝场，可以有效的提高传感器的性能和灵敏度，为光学显微镜以及生物传感技术提供一定的科学参考。

纳米光纤具有小尺寸、低光学损耗、倏逝波传输、大波导色散、强光场约束、抗拉强度高和易于弯曲等诸多特性，在纳米光子器件、集成光学、非线性光学、光学传感和原子波导等方面获得了广泛的应用。纳米光纤的单模损耗可以小于0.01 db／mm，并且具有较低的弯曲损耗，使用纳米光纤可以制作高品质的微型光纤环谐振腔；纳米光纤具有大比例倏逝波传输性质，倏逝波能量比例可大于98％。根据纳米光纤的倏逝波传输特性，可以将纳米光纤用于光学传感器。

在国内，浙江大学现代光学仪器实验室(laboratory of modem optical instrumentation)制备更小尺寸直径光纤使其传输损耗更小，并且长度更长。在光学传感器方面，浙江大学moi研究物理化学传感器，这种传感器有较高的灵敏度。但是，该实验室没有详细研究纳米光纤中光场和倏逝场的分布，因此，传感器的灵敏度还有提升的空间。

在美国，哈佛mazur组研究化学生物传感器，西班牙imm--cnm csic的科学家在这方面也有所研究，并撰写了《硅材料集成光纳米干涉仪在生物传感器中的应用》一文。集成光学传感器作为唯一的能够对生物分子交互作用进行直接探测的技术在最近几年中变得越来越重要，而且硅微电子学技术使大规模生产成为可能，并可以制作出把光源、传感器、光电探测器和互补金属一氧化物半导体(cmos)集成在同一块微光板上的纳米系统。《硅材料集成光纳米干涉仪在生物传感器中的应用》主要介绍纳米尺度内的全反射光波导的马赫一泽德干涉仪(mzi)纳米光学传感器的发展情况，目标是在环境测控中通过生物免疫技术，用这些传感器来测定水的污染程度。这其中的纳米光学传感器就是根据纳米光纤中的倏逝波的原理以及特性设计而成，并且纳米光纤表面的大比例倏逝波传输特性使其在光学耦合和传感等应用中具有独特的优势。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容：纳米级光纤是直径在纳米量级的光纤，其倏逝场可以从包层泄露出来。目前纳米光纤主要应用于近场光学显微镜和纳米光纤生物传感器中。然而，倏逝波与光纤的结构和尺寸相关，在光波的传播过程中，光场和倏逝场是共存的。纳米光纤中的光场和倏逝场与传感器的性能和灵敏度密切相关。因此，本文主要对纳米光纤中的光场进行理论建模和仿真，以此来为提升传感器的性能和灵敏度提供依据。

目标：计算出纳米光纤中的光场和倏逝场理论分布，并且根据理论，利用matlab或者camsol软件仿真出结果。

拟采用的技术方案及措施：根据光场以及倏逝场的定义，拟定首先对纳米光纤中的光场和倏逝场的传输进行建模，再根据纳米光纤结构进行理论分析，得出其传输方程。再使用matlab或者comsol软件仿真得出结果。因此，完成该方案可实施的措施如下。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，查阅纳米光纤的相关知识以及matlab或comsol的使用方法。确定方案，完成开题报告。

第4－8周：明确纳米光纤中的光场和倏逝场理论，完成理论建模。

第9－13周：完成纳米光纤中的光场和倏逝场理论仿真。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]童利民，楼静漪．纳米光纤传感器[j]．激光与光电子学进展，2005，42(12):29-30.

[2]姜玲玲. 氧化硅纳米光纤的制备及应用[d]. 浙江工业大学，2006.

[3]m.a.foster, k.d.moll, a.l. gaeta. optimal waveguide dimensions for nonlinear interactions[j]. optics express, 2004, 12: 2880-2887.