周期性微納光子器件的譜線調(diào)控與特性研究.pdf

1、用戶對(duì)多媒體等大容量數(shù)據(jù)通信需求的持續(xù)增大促進(jìn)了新一代光通信技術(shù)的快速發(fā)展。作為構(gòu)建光信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)，光子器件也受到了極大的關(guān)注。光纖布拉格光柵(FBG)由于其插入損耗小、易與光纖耦合等優(yōu)點(diǎn)，在光纖通信領(lǐng)域扮演了重要的角色，可以用于色散/色散斜率補(bǔ)償、多信道濾波與增益平坦等。但是面對(duì)新型光通信系統(tǒng)與信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展需求，仍然存在許多挑戰(zhàn)。另一方面，區(qū)別于傳統(tǒng)光子器件，表面等離子體激元(SPPs)的出現(xiàn)為納米尺寸集成光子回路的實(shí)現(xiàn)提供了

2、解決方案，而新型SPPs功能器件在光信號(hào)傳輸與處理領(lǐng)域存在巨大的應(yīng)用潛力。因此，本文圍繞微納光子器件(FBG與SPPs亞波長(zhǎng)器件)光譜特性和調(diào)控開(kāi)展研究，包括采樣光纖光柵(SFBG)特性分析與濾波器設(shè)計(jì)，SPPs波與光譜相關(guān)的物理現(xiàn)象研究以及功能器件（濾波器、環(huán)形器等）的設(shè)計(jì)。
　　首先采用Fourier級(jí)數(shù)展開(kāi)法對(duì)SFBG的折射率調(diào)制進(jìn)行分析，給出了SFBG反射峰帶寬分布的解析模型，結(jié)果表明其具有類似Sinc函數(shù)的分布特性，零階

3、中心峰的帶寬具有最大值，兩側(cè)信道的帶寬遞減且具有一定的不對(duì)稱性，即k階信道的帶寬大于-k階的帶寬。進(jìn)一步基于多相移(MPS)技術(shù)，將多個(gè)布拉格周期相異的SFBG級(jí)聯(lián)(稱之為超結(jié)構(gòu)SFBG，SSFBG)，獲得反射率基本一致的高信道數(shù)濾波器，信道的波長(zhǎng)范圍、間隔與數(shù)量可由SSFBG采樣周期內(nèi)的子光柵數(shù)量、占空比以及MPS的致密因子調(diào)整。另外根據(jù)gold序列的碼元跳變關(guān)系定義SSFBG采樣周期間的相移，設(shè)計(jì)光碼分多址編解碼器。在采樣周期內(nèi)級(jí)聯(lián)

4、的子光柵數(shù)決定了信道的個(gè)數(shù)，仿真驗(yàn)證了二、四和八個(gè)信道的編解碼器性能，各信道的自相關(guān)比均大于17 dB。然后根據(jù)弱FBG的反射譜與折射率調(diào)制函數(shù)存在的Fourier變換關(guān)系，通過(guò)設(shè)計(jì)預(yù)定頻譜幅度響應(yīng)的反射譜函數(shù)，將其反Fourier變換獲得的強(qiáng)度和相位信息用于設(shè)計(jì)光柵折射率調(diào)制可以獲得任意反射譜。仿真實(shí)現(xiàn)了正余弦、對(duì)稱三角形、直角三角形、倒三角形和對(duì)稱梯形等幅頻響應(yīng)。在反射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1的情況下，還可對(duì)其帶寬等進(jìn)行調(diào)制。
　　其次在

5、納米尺寸的金屬-介質(zhì)-金屬(MIM)主波導(dǎo)一側(cè)引入單個(gè)矩形或者V-型凹槽，在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)阻帶傳輸，中心波長(zhǎng)與槽長(zhǎng)成線性關(guān)系。進(jìn)一步著重考慮凹槽存在一定傾斜度對(duì)透射譜的影響。為便于分析，以含凹槽高度的表達(dá)式等效描述傾斜角，并結(jié)合凹槽的材料特性、長(zhǎng)度、寬度等因素，給出了該類結(jié)構(gòu)的SPPs阻帶中心波長(zhǎng)的物理解析模型。解析模型與時(shí)域有限差分方法(FDTD)的結(jié)果證明阻帶的中心波長(zhǎng)首先隨著凹槽高度的增加而降低，拐點(diǎn)為在凹槽高度與斜邊等長(zhǎng)，

6、然后波長(zhǎng)將逐漸增加。接著采用在MIM波導(dǎo)的一側(cè)設(shè)計(jì)T-型諧振腔或倒T-型諧振腔的結(jié)構(gòu)，研究SPPs亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象。諧振腔可視為由分別平行與垂直于MIM波導(dǎo)的兩個(gè)腔體組成，簡(jiǎn)稱為平行腔與垂直腔。FDTD仿真結(jié)果證明當(dāng)諧振腔對(duì)稱分布時(shí)，該結(jié)構(gòu)為一個(gè)阻帶濾波器，T-型諧振腔結(jié)構(gòu)的中心波長(zhǎng)僅由平行腔的長(zhǎng)度決定，而倒T-型諧振腔結(jié)構(gòu)的中心波長(zhǎng)和平行腔與垂直腔的長(zhǎng)度均有關(guān)系。當(dāng)垂直腔偏移諧振腔的中心位置時(shí)，將在阻帶的中心波長(zhǎng)位置出現(xiàn)一

7、個(gè)透射峰，其透射率由不對(duì)稱度所決定，同時(shí)在透明窗口中相位出現(xiàn)π跳變，因此在信道帶寬范圍內(nèi)引入了一定的色散。
　　進(jìn)而將MIM結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)等效為一個(gè)FP腔，諧振波長(zhǎng)由波導(dǎo)的長(zhǎng)度以及有效折射率決定。在波導(dǎo)特定位置三個(gè)耦合通道，可將一階、二階、三階的低階諧振波長(zhǎng)獨(dú)立地耦合輸出，每個(gè)通道提供的信道透射率均大于0.1。然而由于四階或以上的高階諧振波長(zhǎng)間隔較近，不利于分別耦合輸出，因此該方案的局限性是提供的通道數(shù)有限且透射率較低。為了改善性能，

8、提出了在MIM波導(dǎo)的兩側(cè)放置多個(gè)長(zhǎng)度不一的諧振腔的方案，由于諧振波長(zhǎng)與腔體長(zhǎng)度成正比，那么每個(gè)諧振腔提供的諧振波長(zhǎng)均不同。在每個(gè)諧振腔中間以及四分之一的位置設(shè)置耦合通道，可將一階、二階的諧振波長(zhǎng)分別輸出，通道的總數(shù)量由諧振腔以及耦合通道的數(shù)量共同決定?；贔DTD算法的結(jié)果驗(yàn)證了二通道、四通道以及八通道的濾波效應(yīng)，每信道的透射率均大于0.5，信道數(shù)量以及透射率等參數(shù)得到改進(jìn)。
　　區(qū)別于多物理通道的濾波器設(shè)計(jì)，提出了一種基于MIM

9、波導(dǎo)的多信道濾波結(jié)構(gòu)，由一對(duì)平行的單向?qū)ㄝ斎胼敵鯩IM波導(dǎo)與兩個(gè)諧振腔構(gòu)成一個(gè)半封閉的環(huán)路。由于波導(dǎo)與諧振腔并非直接相連，因此兩者支持的諧振模式有一定的差異。在波導(dǎo)中磁場(chǎng)強(qiáng)度為零的SPPs不能耦合進(jìn)諧振腔，將從輸入波導(dǎo)直接反射，相反地，耦合進(jìn)諧振腔的SPPs可從輸出波導(dǎo)中透射出去，因此可得到多信道濾波響應(yīng)。在確定結(jié)構(gòu)的金屬與介質(zhì)材料后，信道的中心波長(zhǎng)與信道間隔分別由兩個(gè)諧振腔的間隔以及腔長(zhǎng)決定。采用FDTD算法對(duì)結(jié)構(gòu)的反射譜進(jìn)行仿真，

10、通過(guò)調(diào)整參數(shù)分別獲得3、4、5個(gè)信道的反射譜，反射率接近0dB，旁瓣抑制比大于9dB，信道間隔滿足1∶1/2∶1/3的關(guān)系。將MIM波導(dǎo)的填充物變?yōu)槎趸韬?，由于有效折射率?shí)部大幅度提高，可實(shí)現(xiàn)信道更為致密的多信道濾波。
　　最后以MIM波導(dǎo)為基礎(chǔ)，研究了SPPs定向傳輸結(jié)構(gòu)。四個(gè)諧振腔構(gòu)成一個(gè)開(kāi)放的環(huán)路，每個(gè)諧振腔中間設(shè)置一個(gè)耦合波導(dǎo)，則在同一軸向的兩耦合通道構(gòu)成一對(duì)輸入/輸出口，透射譜中僅有一個(gè)透射峰，且中心波長(zhǎng)由諧振腔長(zhǎng)決

11、定。設(shè)腔長(zhǎng)為300nm和400nm，F(xiàn)DTD仿真驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)四通道的交叉?zhèn)鬏敼δ?，透射率高?.6，光隔離度大于14dB。其次提出了四端口納米結(jié)構(gòu)的光環(huán)形器設(shè)計(jì)方案。該結(jié)構(gòu)包括四個(gè)互相垂直的主波導(dǎo)，各以一對(duì)平行的狹縫相連。當(dāng)SPPs在雙狹縫出口的相位差為0.5π，滿足干涉效應(yīng)的條件時(shí)，實(shí)現(xiàn)了SPPs定向傳輸?shù)墓δ?，即SPPs從某一特定的端口輸入時(shí)，能量?jī)H能從逆時(shí)針?lè)较虻奈ㄒ欢丝谳敵觥?37.6nm中心波長(zhǎng)的透射率達(dá)到0.4以上，且在其余