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带有增益介质层的混合脊状等离子体波导的传输特性

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发光学报 2013年第1期34卷 98-103页

作者：李志全郑文颖牛力勇李晓云李莎燕山大学电气工程学院河北秦皇岛066004

在传统脊状等离子体波导的基础上设计了一种带有增益介质层的新型混合脊状等离子体波导,其结构中的介质层部分包含两个区域:前区为单一介质,后区的脊是由2种介质构成的双层脊区。采用二维时域有限差分方法分析了波导结构的传输特性,得到... 详细信息

在传统脊状等离子体波导的基础上设计了一种带有增益介质层的新型混合脊状等离子体波导,其结构中的介质层部分包含两个区域:前区为单一介质,后区的脊是由2种介质构成的双层脊区。采用二维时域有限差分方法分析了波导结构的传输特性,得到了TM模下的电场分布图,并对输出功率以及传输损耗与结构参数和介质折射率的变化规律进行了讨论。结果表明,在波导中引入的增益介质材料磷化铟后其损耗达到-6 dB/μm。此种波导结构对于光集成芯片的研究与制作具有重要意义。

关键词：混合等离子体波导增益介质传输特性

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深亚波长约束的表面等离子体纳米激光器研究

物理学报 2013年第13期62卷 384-389页

作者：黄洪赵青焦蛟梁高峰黄小平电子科技大学物理电子学院成都610054

本文提出了一种新颖的基于半导体纳米线/空气间隙/金属薄膜复合结构的表面等离子体纳米激光器,并给出了理论研究和仿真分析.这种结构通过金属界面的表面等离子体模式与高增益介质纳米线波导模式耦合,从而使场增强效应得到显著提高.同时... 详细信息

本文提出了一种新颖的基于半导体纳米线/空气间隙/金属薄膜复合结构的表面等离子体纳米激光器,并给出了理论研究和仿真分析.这种结构通过金属界面的表面等离子体模式与高增益介质纳米线波导模式耦合,从而使场增强效应得到显著提高.同时通过数值仿真研究,得到该混合波导结构的模式特性和增益阈值随空气槽宽度、纳米线半径的变化规律,表明它可以实现对输出光场的深亚波长约束,同时保持低损耗传输和高场强限制能力.通过最优化选择,最终得到纳米等离子体激光器的最优结构尺寸.

关键词：表面等离子体混合等离子体波导纳米激光器

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硅基结构混合等离子激元波导模式特性的数值研究

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红外与激光工程 2015年第4期44卷 1329-1334页

作者：赵丽美关建飞南京邮电大学光电工程学院江苏南京210023

首先建立了一种由相同宽度的金属带,Si O2间隔层与Si介质脊构成的导体-夹层-硅基结构(Conductor-Gap-Silicon,CGS)的混合等离子激元波导模型,分析了间隔层的厚度以及波导宽度对模式传输特性的影响,提出了模场面积为0.08μm2与430μm传... 详细信息

首先建立了一种由相同宽度的金属带,Si O2间隔层与Si介质脊构成的导体-夹层-硅基结构(Conductor-Gap-Silicon,CGS)的混合等离子激元波导模型,分析了间隔层的厚度以及波导宽度对模式传输特性的影响,提出了模场面积为0.08μm2与430μm传输距离的设计方案。在此基础上,通过增加数值模型中介质脊的宽度而形成硅基板CGS波导结构。数值分析结果表明:硅基板CGS波导可将模式有效折射率增至2.8,同时传输长度能够延长到1.74 mm。并且模场面积可以进一步压缩到0.025μm2。此外,硅基板CGS波导制作更加简便,并可采用现有COMS制作技术完成,进而具有较大的实用前景。

关键词：混合等离子体波导表面等离子体激元传输长度有效模场面积耦合长度

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硅基亚波长光栅多模干涉型功率/偏振分束器的研究

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硅基亚波长光栅多模干涉型功率/偏振分束器的研究

作者：方镇东南大学

学位级别：硕士

大数据时代带来了海量的数据传输需要,光通信技术有望突破传统的电互联的传输瓶颈,该技术目前受到了广泛的研究重视。在设计硅基光子集成回路时,光功分器和偏振分配器是两类非常重要的基本元器件。本论文的研究重点是基于亚波长光栅(SWG... 详细信息

大数据时代带来了海量的数据传输需要,光通信技术有望突破传统的电互联的传输瓶颈,该技术目前受到了广泛的研究重视。在设计硅基光子集成回路时,光功分器和偏振分配器是两类非常重要的基本元器件。本论文的研究重点是基于亚波长光栅(SWG)和多模干涉原理的光功分器和偏振分束器,并且需要创新性的将两种功能结合到一种器件中,对器件的关键性能参数进行了分析并计算,最终使其可以用于片上大规模、高集成度、低损耗、低成本的光子回路。首先,对硅基光子集成回路的前世今生进行了简单回顾,介绍了硅基光子集成回路的核心优势、未来发展与亟待解决的问题。对光功分器和偏振分束器的国内和国外发展进程进行了回顾,描述硅基光子学中无源光器件的性能的指标,最后对论文的内容进行总结介绍。其次,详细阐述了两种常用的器件数值研究方法——频域有限差分法(FDFD)和时域有限差分法(FDTD)。使用上述两种方法分析了亚波长光栅结构的截面模式特性和传输特性,指明亚波长光栅具有折射率可调、有效抑制衍射与反射效应的优势。其后阐述了多模波导的自镜像效应以及多模干涉导模的传输特性。然后,设计并研究了一种基于多模干涉型偏振无关功分器。器件整体以多模波导结构为基础,在多模波导的输入端引入一段浅刻蚀区域,在浅刻蚀区域的后面是一段亚波长光栅的结构,器件实现了TE、TM模式的功率平分。器件总体长度极小(3um),损耗保持在0.2d B以下,器件工作带宽极大(1300-1750nm),基本覆盖常用的电磁波频带O、E、S、C、L、U波段范围,功率均分度保持在1±0.004范围内。接着,设计并研究了一种基于多模干涉原理的同时实现偏振分束和功率平分的器件。器件整体以多模波导结构为基础,在多模波导的入射taper波导的中间引入渐变宽度的亚波长光栅结构,在整体器件的中部引入浅刻蚀区域,同时实现TE、TM模式功率平分和偏振分束。器件的整体长度为40um;TE、TM模式的消光比大于16d B;TE、TM模式的插入损耗小于0.85d B;TE、TM模式的SR在1±0.0001的范围内;器件的工作带宽为40nm,可以完全覆盖C波段。最后,设计并研究了一种硅基双层多模干涉型同时实现偏振分束和功率平分的器件。器件基于氮化硅-硅平台,使得两个偏振态的传输达到空间上的隔离。该器件长度仅8um,在中心波长1.55um处,TE插入损耗0.51d B,消光比22.62d B,反射损耗-30.45d B,功分比1.0002;TM插入损耗0.90d B,消光比15.76d B,反射损耗-31.18d B,功分比1.0001;工作带宽可以有效扩展至100 nm。

关键词：光功分器偏振分束器亚波长光栅多模干涉混合等离子体波导

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硅基亚波长结构功率/偏振分束器研究

硅基亚波长结构功率/偏振分束器研究

作者：郭振钊东南大学

学位级别：硕士

当前,片上光互连技术受到广泛重视,有望成为突破传统电互连瓶颈问题的热门技术。在构建高性能片上光互连系统中,硅基光子集成回路(PICs)具有高折射率差与兼容CMOS制造工艺等优点,利于实现密集集成,从而满足高速、大容量光信息处理系统... 详细信息

当前,片上光互连技术受到广泛重视,有望成为突破传统电互连瓶颈问题的热门技术。在构建高性能片上光互连系统中,硅基光子集成回路(PICs)具有高折射率差与兼容CMOS制造工艺等优点,利于实现密集集成,从而满足高速、大容量光信息处理系统的发展需求。光功分器与偏振分束器是构建PICs两类基础器件,前者用以实现光功率的多路分配,后者用以实现不同偏振态的高效分离。本文旨在提出并设计基于硅基亚波长光栅(SWG)结构的光功分器与偏振分束器,优化器件结构参数并给出其制作容差,为构建密集集成PICs提供参考器件。论文首先综述了PICs的发展,简单介绍了硅基光子学的关键问题、制作工艺、发展发向以及面临的挑战;详细介绍了光功分器与偏振分束器在国内外的发展现状,描述了硅基片上无源光器件的主要性能指标。其次,介绍了两种常用的器件数值分析及设计优化方法并对亚波长光栅进行详细分析:采用频域有限差分法(FDFD)分析亚波长光栅波导截面的模式特性,时域有限差分法(FDTD)分析亚波长光栅波导的传输特性,总结发现亚波长光栅的折射率可调性、衍射抑制、反射抑制作用,利用这些特性可设计新型高性能硅基无源光器件。然后,基于对亚波长光栅结构的分析,提出并分析了一种硅基亚波长光栅波导的偏振不敏感型光功分器,在传统的锥型(taper)及反锥型(inverse-taper)硅基波导上嵌入亚波长光栅结构,实现偏振不敏感传输。器件具有超紧凑、易制造、低损耗的特点,并且其低损耗工作带宽可覆盖光通信的全波段(O、E、S、C、L、U波段),可应用于光调制器、光开关、光传感等硅基有源器件。接着,提出并分析了一种基于氮化硅-硅(Silicon Nitride-on-Silicon)平台的超紧凑型偏振分束器,在硅底层采用亚波长光栅结构将入射TE模耦合到相邻波导并使其弯曲波导输出,而入射TM模在上氮化硅层传输并直接输出,两个模式在不同分隔层中传输且互不影响,从而实现偏振分束。同时,该器件的耦合长度仅为2.7?m,这使得该器件在构建高效及高集成度的偏振分集方案中具有很强的应用潜力。再者,提出并详细分析了一种TE通过及TM截止的硅基超紧凑型光功分器,采用亚波长光栅多模波导与分段混合等离子垂直槽波导(HPHSWs),实现功率均分与偏振选择两个功能集成于单个器件,利于构建大规模密集集成PICs。数值结果表明,该器件可同时获得低损耗的功率均分(TE模)和高效的模式截止(TM模):在1.55?m的工作波长下,入射TE模功率均分的插入损耗为0.28 dB,入射TM模截止的消光比为19.73 dB,TE模与TM模的反射损耗分别为-28.13 dB与-19.69 dB。最后,给出了全文总结及后续工作展望。

关键词：光功分器偏振分束器亚波长光栅混合等离子体波导硅光子学

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硅基混合等离子激元波导模式特性的数值研究

硅基混合等离子激元波导模式特性的数值研究

作者：赵丽美南京邮电大学

学位级别：硕士

基于硅基的混合表面等离子体激元光波导不仅可以克服衍射极限来实现光场的亚波长约束，而且损耗更小从而使得传输距离可以达到几十个甚至几百个波长量级。因此，这种表面等离子体激元波导为未来实现纳米尺寸的光学电子集成器件提供了有... 详细信息

基于硅基的混合表面等离子体激元光波导不仅可以克服衍射极限来实现光场的亚波长约束，而且损耗更小从而使得传输距离可以达到几十个甚至几百个波长量级。因此，这种表面等离子体激元波导为未来实现纳米尺寸的光学电子集成器件提供了有效的借鉴。本文研究了一种由相同宽度的金属层，SiO2层与Si介质脊构成的导体-夹层-硅基结构（Conductor-gap-silicon，CGS）的混合表面等离子激元波导模型，主要分析了SiO2层的厚度以及波导宽度对模式传输特性的影响，并提出了有效模场面积为0.08μm2与430μm传输距离的设计方案。通过增加数值模型中Si脊的宽度构成硅基板CGS波导结构，并分析了硅基板CGS波导结构参数对波导的模式传输特性的影响。硅基板CGS波导的纵横比较小使得其工艺制作更加简便，并可采用现有成熟的COMS制作技术完成，进而具有较大的实用前景。数值分析结果表明：硅基板CGS波导可将模式有效折射率可增至2.8;传输长度延长到1.74mm;并且有效模场面积可以进一步压缩到0.025μm2。在此基础上，研究了基于硅的CGS结构上两个平行且具有相同参数波导的耦合特性，并主要分析了Si脊高度、SiO2层的厚度以及波导宽度对模式耦合特性的影响。数值分析结果表明：当波导宽度为100nm、SiO2层的厚度为5nm、Si脊高度为0（即硅基板）时，CGS结构上两个平行且具有相同参数波导的耦合长度可增至105μm。

关键词：混合等离子体波导表面等离子体激元传输距离有效模场面积耦合长度

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基于表面等离激元的传输特性研究

基于表面等离激元的传输特性研究

作者：史聪聪桂林电子科技大学

学位级别：硕士

表面等离极化激元（Surface Plasmon Polariton,SPP）是一种沿着金属-介质分界面传播的电磁波。本文通过对金属电磁学中SPP的研究,分析了其传播特性和现象,并设计了 SPP传输器件,主要内容如下:（1）设计了一种基于磷烯SPP的增强光透射... 详细信息

表面等离极化激元（Surface Plasmon Polariton,SPP）是一种沿着金属-介质分界面传播的电磁波。本文通过对金属电磁学中SPP的研究,分析了其传播特性和现象,并设计了 SPP传输器件,主要内容如下:（1）设计了一种基于磷烯SPP的增强光透射的亚波长结构。首先研究了单层磷烯的电导率及其支持的SPP的特性,基于此提出了一种类三明治结构,上层为金纳米光栅,中间是磷烯薄膜,底部是硅基底。金纳米光栅辅助激发磷烯SPP,通过详细的实验设计和分析,深入研究了磷烯SPP增强光透射的机理,并分析了该结构的透射光谱和稳态电场,结果证明磷烯SPP的传播能够耦合更多的光,实现了宽频光增强透射。（2）提出了一种基于狄拉克半金属（Bulk-Dirac-Semimetal,BDS）的混合等离子体波导。首先研究了 BDS的电磁特性,根据模式求解理论得到BDS薄膜支持的SPP模式,然而BDS SPP的辐射损耗较大,不能有效地局限在分界面。通过设计一种太赫兹频率的基于BDS的混合等离子体波导,实现了 BDS SPP模式与介质波导模式的有效耦合,减小了 BDS SPP的辐射损耗。与传统结构的混合等离子体波导相比,该波导模式面积更小、传播长度更长。通过调整结构参数和BDS费米能级,该波导在3 THz的工作频率下,最小模式面积为2μm2,最大传播长度为～105μm。（3）基于人工表面等离极化激元（Spoof Surface Plasmon Polariton,SSPP）理论,设计了一款带阻滤波器。该滤波器由共面波导（Coplanar Waveguide,CPW）与SSPP传输线组合而成,通过在SSPP传输线中引入缺陷单元与CPW耦合形成阻带,并且通过控制缺陷单元的长度可以灵活地调节阻带的频率。模拟结果表明:阻带的频率范围为6.5～7.3 GHz,阻带带宽为0.8 GHz,品质因数Q=8.6。通带插损小于3 dB,通带反射基本小于-10 dB,阻带抑制小于-23 dB。

关键词：表面等离极化激元人工表面等离极化激元奇异光传输混合等离子体波导带阻滤波器