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TRIZ创新方法在微纳米光子学研究中的应用

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TRIZ创新方法在微纳米光子学研究中的应用

张中月1*,张永元1,2, 屈瑜1, 田晓俊1, 孙永伟3

1陕西师范大学物理学与信息技术学院?? 陕西 西安710062)

2西安科技大学理学院,陕西 西安710054)

3中国神华集团 北京低碳清洁能源研究所,北京 102209

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TRIZ方法是一种科学的、系统的、被证实行之有效的创新方法。本文在介绍了TRIZ的基本思想和理论体系的基础上,应用TRIZ方法设计了微纳米光子学波导结构和增强透射结构。结果表明,TRIZ方法对优化结构设计具有很好的帮助,是一种在科学研究中值得推广的创新方法。

关键词TRIZ?? 创新?? 微纳米光子学

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引言

创新是一个民族发展进步的灵魂,是国家兴旺发达的不竭动力。提高自主创新能力,建设创新型国家是国家发展战略的核心,是提高国家综合国力的关键。创新的关键是人才,只有大批创新人才的涌现,创新才能实现。创新人才是先进生产力和先进文化的代表,是国家综合国力的重要组成部分。我国正力争在2020 年建设成为创新型国家,如何以最快、最短的时间培养创新人才,提高其创新能力,一直是众多科技工作者研究的热点。自主创新, 方法先行,应该首先从方法上解决创新的问题。科学的创新方法是提升自主创新能力的基础和重要保证。

国内外关于技术创新的方法大约有300多种,发明问题解决理论(TRIZ) [1-3]是众多创新方法中的一员。TRIZ是目前被证实最为有效的创新方法学论,是一套有系统的、科学的、行之有效的解决发明问题的工具。TRIZ方法可以帮助人们系统、全面地分析问题, 快速发现问题根源或者矛盾,准确确定问题的探索方向,突破思维障碍,打破思维定式,以新的视角分析问题,加快创新的进程,提高研发项目的成功率。基于以上的优点,2006年,中国政府就提出的“自主创新,方法先行”,将TRIZ作为国家重点推行的创新方法。

目前,TRIZ已经在世界大多跨国企业如三星,通用电气,现代汽车,浦项制铁等公司的工程技术领域发挥了巨大作用,成为企业创新的利器,但是在自然科学、社会科学、管理科学、生物科学等多领域的应用相对较少。本文以微纳米光子学研究为例,应用TRIZ方法进行分析问题,验证TRIZ理论在科学研究中的适应性及有效性。

本文第一部分简要介绍TRIZ,第二部分举例TRIZ在波导结构设计中的应用,第三部分举例TRIZ在宽频透射结构设计中的应用,最后给出结论。

1? TRIZ简介

TRIZ是“发明问题解决理论” 俄文首字母的缩写,是20世纪60年代前苏联学者根里奇·阿奇舒勒所提出的。阿奇舒勒长期工作在前苏联的专利领域,在他对大量专利进行了分析和研究后,发现不同领域的所解决的问题虽然不一样,但在解决这些不同领域的问题时所用到的原理却基本类似。他和他的团队将这些基本原理进行了总结,并开发出了一系列的工具来更加有效的来运用这些原理。并于1946年开始推广这一套系统地解决技术冲突问题的方法。作为前苏联的机密,前苏联解体后,TRIZ开始被传播到世界各地。经过60多年的发展,这门理论得到不断的丰富和完善。特别是在近30年,TRIZ理论被引入到欧美的企业后,在解决企业实际问题的过程中逐步形成更为有效的现代TRIZ理论体系。其知识体系如下:

按照解决问题的步骤,可以分为三大部分,即识别问题,解决问题以及概念验证。而每一大部分,都有大量工具提供支撑。

TRIZ的核心思想主要体现在三个方面:首先,无论是一个简单产品还是复杂的技术系统,其核心技术的发展都遵循着客观的规律发展演变,即具有客观的进化规律或模式;第二,各种技术难题和矛盾的不断解决是推动这种进化过程的动力;第三,技术系统发展的理想状态是用最少的资源实现最大效益的功能。

TRIZ的基本思路是:首先,对具体问题进行全面、深入的分析,将我们所遇到的表面问题(或具体问题)转化为可以解决的关键问题然后,将这个关键问题转换为一个TRIZ的问题模型,比如技术矛盾、物理矛盾、物场模型,How to模型等等。最后再利用相应的工具提出一般化的解决方案,比如矛盾矩阵和40个发明原理,分离原理,标准解,功能导向搜索等等。最后将这些一般化的解决方案转化为具体的、可实施的解决方案。

2? TRIZ在波导结构设计中的应用

表面等离极化激元(SPPs)是沿着金属和介质的界面传输的电磁波,在垂直于界面方向上以指数形式衰减,因此SPPs被局域在金属和介质界面在亚波长范围内传播,能够突破衍射极限。正是由于SPPs的这一特性,使得SPPs波导能够实现亚波长尺度的光信息传输与处理,从而实现光子与电子元器件在纳米尺度上的结合[4-5]

??? 在SPPs波导中,人们希望波导结构对场的局域性要好,即模式尺度要小,以降低波导的折弯损耗以及提高光子芯片中回路和元件的密度。我们尝试应用TRIZ中的组合原理优化设计波导。组合原理是TRIZ发明原理中的第5号原理,该原理包括两个含义:在空间上将同类或需要连续操作的物体组合起来;从时间上将同类的部分或需要持续操作的部分组合起来。TRIZ对该原理的解释是:使一个系统的各功能、特性或部分之间建立一种联系,其可产生一种新的、想要的或唯一的结果。通过对先前的已有功能进行组合,可以生成新的功能。研究表明,金属与介质间的狭小空间可以限制SPPs;在金属微纳结构外包裹介质也可以将SPPs限制在介质中。将上述两种方法组合,我们设计了如图1所示波导。V形银纳米线置于硅介质衬底上,间距为d,并且在V形银纳米线外包覆二氧化硅。我们应用COMSOL软件对所设计的波导结构进行模式分析,激发光波长为1550 nm,结果如图2。从图中可以看出,包覆二氧化硅后,模式面积减小,波导对SPPs的限制性更好。


图1? 波导结构的横截面 ? ? ?

图2? 归一化模式面积

?TRIZ在宽频透射结构设计中的应用

1998年,Ebbesen等人在金属膜上刻蚀周期孔阵列,发现即使当入射光波长是孔径十倍时仍有很强的光透过,并且透射率高出孔面积与薄膜面积比值的1–2个数量级,这种现象被称为光增强透射现象enhanced?optical transmission (EOT)。EOT现象在微腔量子电动力学、光子学器件、高密度数据存储、近场光学、光滤波器、纳米感应等相关领域都具有巨大的应用潜力。当光入射到金属孔洞时,激发SPPs,当孔洞周期与SPPs波长匹配时,才能产生强透射,故一般EOT现象的频带较窄。在实际应用中,较窄频带的应用受到限制,研究非共振引起的EOT现象,从而实现宽频带激发与收集,具有更广泛的意义[6-7]

下面将应用TRIZ中功能分析工具和流分析工具来分析EOT问题,以期产生新的想法。功能分析是指对系统进行分解,得到正常、不足、过量、有害作用,帮助工程师更详细的理解工程系统中组件之间的相互作用。运用功能分析,可以重新发现系统组件的目的和其性能表现,进而发现问题的症结,并运用TRIZ理论中其它解决问题的工具进一步加以改进。流分析是一种识别工程系统内物质、能量(场)、和信息流动的缺陷的分析工具,可以识别功能分析未揭示出的缺陷,弥补功能分析的不足,并能对工程系统建立物质、能量和信息的模型,从另外一个视角来分析系统。

图3为金属孔洞结构的上表面(假设入射电场在图3中左右偏振)。我们将上表面划分为三个区域:区域A(上下孔洞间的区域)、区域B(左右孔洞间的区域)、区域C(孔洞周围区域)。这样以来,三个区域组成了整个上表面。同样,金属孔洞结构的下表面也被划分为三个区域:区域A'、区域B'、区域C'。金属内部被划分为两个区域:金属部分和孔部分,孔部分包括空周围的金属。

图3? 金属孔阵列的俯视图

图4为对金属孔洞结构进行的功能分析。超系统组件、系统对象为光。金属支撑A、B、A'、B'。孔支撑C和C'。A、B、C间导向流;A'、B'、C'间导向流。

图4中也画出了对金属孔洞结构进行的流分析。A、B、C均能耦合光到金属表面,但是它们之间的能量流不足。如果要使得更多能量从孔流过,需要增强从A到C、从B到C的流。A'、B'、C'之间导向流不强,但是这对于透射问题是有力,所以它们之间的流是正常的。

图4? 系统的功能分析及流分析

当沿图中左右方向偏振的光入射到金属表面时,SPPs被激发,即入射光与SPPs相互耦合形成共振。金属中比较多的能流在A和B中流动,要使得从孔经过的能量流是宽频的,则要加强从A到C、B到C的流。加强B到C的流要求更多电子聚集到C区域,当入射光波长较大时,SPPs波长增加,这点自然满足。由于金属部分的阻抗小于孔附近的阻抗,从A到C的能流不足。要使得能流尽量多的从小孔中流过,那么就要增加A部分的阻抗。可以通过改变电阻、电感、电容三个方面来增大阻抗。电阻依赖于材料、材料的尺寸、材料的形状;电感依赖于材料的形状、材料的尺寸;电容依赖于电容极板的面积、极板间的距离、极板间填充的材料。

通过以上分析,我们设计了图5所示结构,应用二氧化硅填充的缝隙增加A部分阻抗,使得较多的宽频能流从孔部分透过。图6是该结构的透射光谱。当只有孔时,透射峰是窄带的(黑线)。应用二氧化硅填充的缝隙增加A区域阻抗后,出现了宽频的透射光谱(红线),实现了预先的构想。 fon??ml(??ЛNew Roman"'>(左右孔洞间的区域)、区域C(孔洞周围区域)。这样以来,三个区域组成了整个上表面。同样,金属孔洞结构的下表面也被划分为三个区域:区域A'、区域B'、区域C'。金属内部被划分为两个区域:金属部分和孔部分,孔部分包括空周围的金属。



图5? SiO2填充缝隙的金属孔洞结构


图6 ?金属孔洞结构的透射光谱

4??结论

本文不仅应用TRIZ方法中组合原理设计了波导结构,以获得更小模式面积,而且对金属孔洞结构进行了功能分析和流分析,并给出了多种可能的实现宽频透射的解决方案。这些结果说明将TRIZ方法引入到某些科学研究领域中,能够帮助研究者更加快速、准确地找到问题本质及产生解决方案,从而加快创新过程,提升创新效率。

参考文献:

?[1]?? 赵敏,史晓凌,段海波.TRIZ入门及实践[M].?北京:科学出版社, 2009

[2] ??Friedman R. Problem Solving for Engineers and Scientists: A Creative Approach[M].?New York:?Van Nostrand

????? Reinhold,1991.

[3]???Karen G.?TRIZ for Engineers: Enabling Inventive Problem Solving[M].London: Wiley, 2011?

[4]?? Barnes WL, Dereux A, Ebbesen TW. Surface plasmon subwavelength optics [J].Nature, 2003, 424(6950): 824-830.

[5]?? Ozbay E. Plasmonics: merging photonics and electronics at nanoscale dimensions [J].Science, 2006, 311(5758): 189-193.

[6]?? Subramania G, Foteinopoulou S, Brener I. Nonresonant broadband funneling of light via ultrasubwavelength? ???????????channels[J]. Physical review letters, 2011, 107(16): 163902.?

[7]??? Shen H, Maes B. Enhanced optical transmission through tapered metallic gratings[J]. Applied Physics Letters, 2012, 100(24): 241104.

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Application of TRIZ method in?micro-nano photonics

ZHANG Zhongyue1*, ZHANG Yongyuan1,2, QU Yu1, TIAN XiaoJun1, SUN Yongwei3

(SchoolofPhysicsand Information Technology,Shaanxi Normal University,Shaanxi,Xi’an710062)

(SchoolofScience,Xi’anUniversityofScienceand Technology,Shaanxi,Xi’an710054)

(National Institute of Clean-and-Low-Carbon Energy, Shenhua Group, Beijing 102209)

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Abstract:?TRIZ method is a systematic and effective innovation methodology. In this paper, the principle and methodology of TRIZ is presented and TRIZ is introduced to design of micro-nano photonic waveguide and extraordinary optical transmission structure. The results show that TRIZ can make great contribution to optimize the design and TRIZ method would be promoted in scientific research.

Key words:?TRIZ; innovation; micro-nano photonics

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