片上集成波導(dǎo)以及波導(dǎo)功能器件研究.pdf

1、集成光路是滿足日益增長的光通信網(wǎng)絡(luò)容量與解決高性能計算機電互連瓶頸的有效途徑。本課題以片上集成光波導(dǎo)作為切入點，圍繞新型片上集成波導(dǎo)功能器件開展了一系列原理結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要研究內(nèi)容和研究成果如下。
　　(1)探索了金屬表面等離激元在SOI納米線波導(dǎo)模式控制上的應(yīng)用。SOI納米線波導(dǎo)模式控制是集成光路的基礎(chǔ)性課題，其在偏振分復(fù)用技術(shù)和多?？辗謴?fù)用技術(shù)中有巨大的應(yīng)用前景。本課題在簡要分析了 SOI納米線波導(dǎo)模式和金屬表面等離激元的基本特

2、性后，提出了利用硅/金屬混合波導(dǎo)控制SOI納米線波導(dǎo)的新方法?；诙嗄８缮嬖?，通過巧妙地設(shè)計硅/金屬混合的本征場分布，用兩種不同硅/金屬混合波導(dǎo)分別實現(xiàn)了超緊湊的波導(dǎo)類TE偏振與類TM偏振轉(zhuǎn)換器和類TE基模與類TE一階模式轉(zhuǎn)換器。數(shù)值仿真結(jié)果表明，偏振轉(zhuǎn)換器的偏振消光比在波長1.55m處達到26.5 dB，而轉(zhuǎn)換長度僅需610 nm。類TE基模與類TE一階模式轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換長度僅需1.1m，在波長1.55m處的消光比達到30 dB。

3、r>　　(2)改進了現(xiàn)有的石墨烯等離激元波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在深入分析了石墨烯光學(xué)電導(dǎo)率，費米能級與偏振電壓關(guān)系，以及石墨烯等離激元模式色散關(guān)系后，提出了介質(zhì)裝載型石墨烯等離激元波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)基于等效折射率約束，不需要對石墨烯進行刻蝕加工，也不需要對石墨烯進行局部摻雜，而且易于加工和集成，有望成為石墨烯等離激元光學(xué)的基礎(chǔ)功能器件。論文研究了求解介質(zhì)裝載型石墨烯等離激元波導(dǎo)模式色散關(guān)系的等效折射率解析模型。討論了該波導(dǎo)的模式截止條件，單模范

4、圍以及模式特性的可調(diào)性。在此基礎(chǔ)上，進一步深入研究介質(zhì)裝載型石墨烯等離激元波導(dǎo)間的定向耦合特性，發(fā)現(xiàn)改變石墨烯費米能級能有效地調(diào)控波導(dǎo)間的定向耦合功率比，并基于此設(shè)計了中紅外波段電可控光開關(guān)，開關(guān)比在波長10.5m處達到了16 dB。
　　(3)提出了用納米條帶腔增強石墨烯與可見到近紅外光相互作用的新方法。納米條帶腔集波導(dǎo)與腔的優(yōu)勢于一身，石墨烯與納米條帶腔耦合系統(tǒng)既利用了腔的場增強效果，又保持了與波導(dǎo)集成的方便性。針對特定的應(yīng)用

5、，論文提出了一種簡單的納米條帶腔設(shè)計方法，并用瞬態(tài)耦合模理論從原理上分析了石墨烯與納米條帶腔耦合系統(tǒng)可能的狀態(tài)。對于輸入和輸出波導(dǎo)對稱的結(jié)構(gòu)，石墨烯的吸收率最多為50％；對于輸入和輸出波導(dǎo)不對稱的結(jié)構(gòu)，滿足臨界耦合條件時，石墨烯的理論吸收率可達100%。在理論分析的基礎(chǔ)上，用輸入和輸出波導(dǎo)對稱的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了超緊湊的片上集成石墨烯電光調(diào)制器。仿真結(jié)果表明該電光調(diào)制器在波長1.55m附近的調(diào)制幅度達到7 dB，而器件的長度僅為6.5m。利用輸