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基于狄拉克半金属的亚波长光栅波导滤波器研究

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基于狄拉克半金属的亚波长光栅波导滤波器研究

作者：梁潇中南民族大学

学位级别：硕士

随着信息技术的发展,信息交换量的增加,传统的电学芯片越来越满足不了人们日益增长的对信息传输量的需求。此时,集成光学芯片顺势而生,光通信走向舞台。在光通信领域,光学滤波器是通信系统中的重要组成部分。光学滤波器只允许特定波长... 详细信息

随着信息技术的发展,信息交换量的增加,传统的电学芯片越来越满足不了人们日益增长的对信息传输量的需求。此时,集成光学芯片顺势而生,光通信走向舞台。在光通信领域,光学滤波器是通信系统中的重要组成部分。光学滤波器只允许特定波长的光信号通过,它不仅可以滤除信号中所掺杂的噪音,从而还原出原始信号,还可以用于波分复用以及特定波长信号的选择,它对信号传输质量的高低起着关键性的作用。亚波长光栅波导可以对它的周期以及占空比进行灵活调整,从而使得亚波长光栅波导的有效折射率发生改变,进而设计出许多性能优良的集成光子器件。三维狄拉克半金属CdAs是一种新型材料,具有高电子迁移率、在空气中稳定性能良好和折射率可调等特性。基于狄拉克半金属CdAs亚波长光栅波导的可调选频滤波器,将新型材料狄拉克半金属CdAs的性能优点与亚波长光栅的结构优势相结合,在集成光子领域具有非常广阔的研究前景。本论文主要进行将新型光学材料三维狄拉克半金属CdAs用于实现基于亚波长光栅波导的滤波器的研究,设计制作出几种符合现代加工制造技术,器件结构尺寸小、滤波性能良好的滤波器,并利用基于有限元法的COMSOL Multiphysics软件对这几种器件进行理论分析及仿真计算。本文主要研究工作如下:1.设计了基于狄拉克半金属CdAs的亚波长光栅波导的可调选频滤波器。该滤波器由二氧化硅基板、矩形硅块、两根亚波长光栅结构CdAs总线波导和亚波长光栅结构的CdAs微环谐振腔组成。通过调节电压加载圆弧段的电压,进而有效控制微环谐振腔的输出波长。仿真结果表明,当电压加载圆弧段的费米能从0eV变化到0.25eV时,输出谐振波长从1575.6nm偏移到1576.8nm,光波的透射率均在91%以上。2.设计了基于狄拉克半金属CdAs的亚波长光栅波导的TE模式阻塞滤波器。该滤波器由二氧化硅基板、一根CdAs条带,一根具有亚波长光栅结构的CdAs条带组成。仿真结果表明,在1567nm582nm波段,当输入TE模式的光波时,滤波器的消光比为?24.7dB;当输入TE模式的光波时,滤波器的插入损耗为?0.12dB。

关键词：狄拉克半金属 Cd3As2 亚波长光栅波导滤波器

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硅基纳米波导集成的偏振调控器件研究

硅基纳米波导集成的偏振调控器件研究

作者：张芳宁波大学

学位级别：硕士

随着信息技术的飞速发展,人们对通信宽带与信息系统的智能化提出更高的要求。光子集成电路（PICs）在光互联、智能传感等领域的作用越来越重要。硅光子学凭借其与互补金属氧化物半导体（CMOS）的兼容性、高集成密度和低功耗,成为最有前... 详细信息

随着信息技术的飞速发展,人们对通信宽带与信息系统的智能化提出更高的要求。光子集成电路（PICs）在光互联、智能传感等领域的作用越来越重要。硅光子学凭借其与互补金属氧化物半导体（CMOS）的兼容性、高集成密度和低功耗,成为最有前途的光子集成平台之一。但是,仍然有一些障碍限制硅纳米波导和器件扩展到更多的应用,其中之一是偏振问题。本文的主要工作是运用硅基纳米波导和混合表面等离子体波导来制作各种偏振调控器件,以解决硅光子学中的偏振问题。本文以光学仿真和微纳制作为手段,对所设计的器件开展了一系列的研究工作。论文的主要研究工作如下:1.本文介绍了绝缘体上硅（SOI）波导对于提高光路集成度的重要性,并重点讲解了硅纳米波导的偏振问题。运用波动光学理论,以平板波导和条形波导为切入点对波导的传输特性进行分析,介绍常用的数值计算方法（有限元法和时域有限差分法）与边界条件（完美匹配层）,最后介绍了实验的制作流程与测试平台。2.本文介绍了亚波长光栅波导及其模式特性,首先设计了基于亚波长光栅结构的TM通过型起偏器,其消光比大于30 d B,插入损耗小于1 d B,带宽达335nm;其次,设计并制备了基于亚波长光栅结构的偏振分束器,器件耦合长度仅为～7.2μm,测试结果表明,消光比大于10 d B,插入损耗小于2.5 d B,工作波长范围为1460 nm-1610 nm。3.本文分析硅基纳米混合表面等离子体波导的偏振特性,包括波导尺寸、结构和波长等对其模场分布和折射率的影响,并与硅纳米介质波导和硅表面等离子波导进行比较。设计了基于弯曲方向耦合器的偏振分束转换器,该器件具有超小尺寸和宽带的工作特征。理论计算结果表明,在1550 nm的中心波长处消光比大于23 d B,插入损耗小于0.8 d B。在80 nm的带宽上,消光比大于17 d B,横磁偏振光转换为横电偏振光的偏振转换效率大于95%。

关键词：光波导偏振调控器件亚波长光栅波导混合表面等离子体波导

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新型硅纳米光波导与微环器件及应用

新型硅纳米光波导与微环器件及应用

作者：马可浙江大学

学位级别：硕士

近年来,与传统的微电子集成相比,硅基光子集成以其尺寸更小、信号传输和处理更快和制作工艺与传统的微电子制作工艺相兼容,成为下一代集成芯片的主流趋势。在硅基光子集成器件中,硅波导是基本的组成元件,微环谐振器则以结构简单、功能... 详细信息

近年来,与传统的微电子集成相比,硅基光子集成以其尺寸更小、信号传输和处理更快和制作工艺与传统的微电子制作工艺相兼容,成为下一代集成芯片的主流趋势。在硅基光子集成器件中,硅波导是基本的组成元件,微环谐振器则以结构简单、功能众多、易达到高集成度等优势大范围的应用于光子集成中。本文主要研究新型硅纳米光波导和硅基微环器件,以及它们的应用。首先,本文对光波导进行了研究分析,讨论了基于绝缘体上的硅(silicon-on-insulator,SOI)纳米线光波导和悬挂式硅纳米线波导的传感应用,优化其结构,优化后的悬挂式硅纳米线光波导在气体传感时的具有超高灵敏度。其次,本文提出了一种新型的基于硅基微环谐振器的热线式流速计,并且从热学仿真和参数设计两个角度论述了流速计的功能和特点,基于微谐振器的流速计可以做到全光,即没有任何复杂的电路;在尺寸上可以实现毫米级的超小尺寸;测量的光学参量是微环的谐振峰,灵敏度相对较高;使用SOI片制作微谐振腔,与CMOS工艺相兼容,利于大批制造和生产,且生产成本低。最后,本文对粒子在波导倏逝场中所受的光力进行了研究,提出了一种新型的基于SOI的亚波长光栅波导结构,结果表明这种新型波导在单端输入光场时,就能实现对多个粒子的同时捕捉。并分析了不同半径下的粒子受力的变化和规律。进一步地,提出与微环谐振器的结合,实现光力的进一步增强。

关键词：硅光子学硅纳米线光波导微环谐振器光力亚波长光栅波导

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硅基光学微环谐振器及其应用研究

硅基光学微环谐振器及其应用研究

作者：涂正瑞华中科技大学

学位级别：硕士

当今世界,信息技术的发展是爆炸式的,每时每刻在世界各地都发生着数以亿计的信息交换与分享,信息的传输量和传输速率一直都在不断提升以满足人们的需求。然而曾经以摩尔定律为指引的传统电路集成和电互连的发展因为物理极限而遭遇“瓶颈... 详细信息

当今世界,信息技术的发展是爆炸式的,每时每刻在世界各地都发生着数以亿计的信息交换与分享,信息的传输量和传输速率一直都在不断提升以满足人们的需求。然而曾经以摩尔定律为指引的传统电路集成和电互连的发展因为物理极限而遭遇“瓶颈”,人们正在不断谋求新的方案。在众多新方案中,硅基集成光子学优势突出被广泛看好。所谓的“硅基集成光子学”,就是旨在利用硅基平台把各种不同功能的光电子器件集成在一起,以实现光芯片集成和片上光互连,它有着高速率、低损耗、与COMS工艺兼容等优势。在硅基集成光子学领域,光学微环谐振器是一种非常重要的元器件,它功能多样适用于构成各种不同功能应用的光器件,如传感器、激光器、光调制器、光滤波器、光开关、光延迟线、全光逻辑门等。本论文的主题是硅基光学微环谐振器及其应用研究,我们围绕硅基光学微环谐振器进行了较为深入的理论分析和实验探究,详细的内容概括可归纳如下:(1)对光波导理论和数值计算方法进行了论述介绍。对光学微环谐振器元器件的工作原理、主要性能指标、理论模型以及设计流程进行了分析,为后续的应用工作提供了可参考的理论基础与依据。(2)基于亚波长光栅波导结构,首次提出并设计了可以产生法诺(Fano)谱型的亚波长光栅微环谐振器结构。亚波长光栅波导结构的引入可以使得光与物质的相互作用得到明显的增强,非对称的Fano谱型对环境折射率变化又极为敏感,因此在将其应用到复折射率传感领域时,折射率实部和虚部的传感灵敏度都得到大幅度的提高。从理论仿真结果的分析中,我们得到其折射率实部的传感灵敏度为366 nm/RIU,较之前提高约6倍;折射率虚部的传感灵敏度约为9700/RIU,较之前提高约71倍。(3)对硅基光器件的工艺流程进行了介绍,并在实验上制备了硅基亚波长光栅微环器件。完成器件的制备后,我们对其进行了传感实验的测试。在不同浓度葡萄糖溶液的传感测试实验中,测得其折射率实部传感灵敏度为363 nm/RIU,这与理论结果非常吻合;折射率虚部的传感性能与理论上的趋势也一致。实验结果有效的印证了理论分析。(4)基于狭缝波导结构,设计了硅基掺铒聚合物狭缝微环谐振器结构。首先在SOI芯片上刻蚀得到狭缝微环谐振器,然后旋涂掺铒聚合物作为上包层且让其填充到狭缝区域。利用1480 nm泵浦源,我们对硅基掺铒聚合物狭缝微环谐振器在1530nm波长光激射的应用进行了理论上和实验上的分析与研究。

关键词：硅基光子学光学微环谐振器亚波长光栅波导光学传感狭缝波导

基于等离子体共振的低功耗相变光子存储器的研究

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基于等离子体共振的低功耗相变光子存储器的研究

作者：孙伟宁波大学

学位级别：硕士

随着摩尔定律的极限逼近,集成电路在速度、延时和功耗等方面遭遇瓶颈。面向片上光互连的硅光子技术能够解决集成电路持续发展所面临的问题,是后摩尔时代亟需发展的关键技术之一。硅光子技术的薄弱环节在于信息存储,需要借助光/电/光转... 详细信息

随着摩尔定律的极限逼近,集成电路在速度、延时和功耗等方面遭遇瓶颈。面向片上光互连的硅光子技术能够解决集成电路持续发展所面临的问题,是后摩尔时代亟需发展的关键技术之一。硅光子技术的薄弱环节在于信息存储,需要借助光/电/光转换器件,这限制了信息处理速度和带宽。基于相变材料的硅基非易失性光子存储器有望替代传统的光/电/光转换器件,但在速度和功耗方面仍然存在挑战。本论文围绕相变光子存储器存在的速度和功耗问题,利用金属表面局域等离子体共振的电场增强效应增强光与物质的相互作用,提升存储器速度,并降低器件功耗。为此,本论文提出基于矩形波导和亚波长锥度光栅波导的等离子体相变光子存储器,利用有限元法建立电磁热耦合模型,对器件内部的电、热、光等多物理场进行仿真分析,阐明器件结构参数对存储单元透过率、速度及功耗的影响关系。本文结果这为后续研究高速、低功耗及高密度的非易失性光子存储器具有重要的借鉴和指导意义。本文主要工作及研究结果如下:（1）针对当前相变存储器在开关速度、功耗方面存在的不足,利用金属表面局域等离子体共振的电场增强效应,提出双环金属结构的等离子体相变光子存储器。存储器由相变材料与矩形波导、金属银圆盘及圆环混合集成,即在内圆盘和外圆环缝隙中填充相变材料GeSbTe（GST）。通过多边形建模法对等离子体相变存储器进行三维建模。利用场增强因子对器件结构参数进行优化,采用电磁热耦合法对写入/擦除过程进行光热分析。仿真结果表明,写入/擦除所需的脉冲时间均为纳秒级,功耗分别为20 p J和40 p J。对不同嵌入深度下存储器的插入损耗、功耗、对比度等性能比较分析,为研究具有超紧凑尺寸、较快的开关速度和低功耗的可重构和多功能光子器件提供一种普适性方法。（2）针对等离子体相变光子存储器的信号对比度较低的问题,利用锥度波导增加共振模式下的透射率峰值,结合亚波长光栅波导的快速可调谐性,在1535 nm处实现光学信号对比度高达57.8%。通过在波导上增加相变单元的数量,利用光栅波导电场聚集效应与金属等离子体局域场增强效应,进一步提高相变结构区域电场强度,将器件的信号对比度提高至93.5%。该结果为研究具有高信号对比度、高集成度的相变光子存储器件提供新思路。

关键词：相变光子存储器等离子体效应亚波长光栅波导 COMSOL

金属—电介质—金属型表面等离子体光栅耦合模式优化仿真研究

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金属—电介质—金属型表面等离子体光栅耦合模式优化仿真研究

作者：郭云峰桂林电子科技大学

学位级别：硕士

表面等离子体是一种存在于金属和电介质界面的电子疏密波,它是由自由振动的电子和光子相互作用产生的沿着金属表面进行传播,在微纳米结构中对电磁波具有强烈的束缚作用和传导能力,表面等离子体拥有着许多特殊的效应和现象,被众多的研究... 详细信息

表面等离子体是一种存在于金属和电介质界面的电子疏密波,它是由自由振动的电子和光子相互作用产生的沿着金属表面进行传播,在微纳米结构中对电磁波具有强烈的束缚作用和传导能力,表面等离子体拥有着许多特殊的效应和现象,被众多的研究学者所青睐。其中亚波长结构的光学器件,尤其是金属-电介质-金属型表面等离子体波导结构具有更为紧凑的结构而且对电磁波具有更强烈的束缚效果而被科研工作者深入研究;亚波长光栅结构中只存在零级衍射波,其波导结构简单同时也拥有着很高的衍射特性从而受到广泛关注。根据金属-电介质-金属型表面等离子体波导结构以及亚波长光栅波导结构的研究,本论文中将亚波长光栅结构和金属-介质-金属-波导结构相结合构成新的波导结构进行了建模仿真计算,本论文的主要研究内容如下:1.针对金属-电介质-金属波导结构,将光栅结构直接做在金属层上,构成金属光栅-电介质-金属波导结构,研究了该波导结构对电磁波局域效应和波导结构对电磁波的透射效应,根据时域有限差分方法计算了不同光栅结构参数对于金属光栅-介质-金属型表面等离子体波导的影响,并优化光栅结构参数实现了对640nm波长的单频光86%的透射率,探究该波导结构在光学集成方面的应用前景。2.针对金属-电介质-金属波导结构,将中间层的电介质层做成由不同介质结构组合形成的介质光栅结构,构成金属-介质光栅-金属表面等离子体波导,研究该波导结构对电磁场的束缚效应,以及结构参数对于表面等离子体激元的影响情况,优化介质光栅结构参数实现对于金属-介质光栅-金属波导结构表面等离子体的传输特性实现了特定波长的滤波效果达到了99.33%,对于波段450nm-480nm范围的滤波特性达到了94.2%以上。本论文中提出了两种基于金属-介质-金属波导结构和亚波长光栅相结合的波导结构,本论文中的研究成果对于纳米集成光子器件的优化设计提供了一种设计思路,在集成光学领域以及光通信领域有较大的应用前景和发展空间。

关键词：表面等离子体亚波长光栅波导金属-电介质-金属波导时域有限差分方法