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(jì)算機(jī)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(diǎn)，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(jì)，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)和多模空分復(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。基于多模干涉原理，通過巧妙地設(shè)計(jì)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(shí)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(dá)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(dá)到30 dB。

3、r>　　(2)改進(jìn)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(fèi)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(jìn)行刻蝕加工，也不需要對石墨烯進(jìn)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(jìn)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(fèi)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(jì)了中紅外波段電可控光開關(guān)，開關(guān)比在波長10.5m處達(dá)到了16 dB。
　　(3)提出了用納米條帶腔增強(qiáng)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(qiáng)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(jì)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(shí)，石墨烯的理論吸收率可達(dá)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(shí)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(dá)到7 dB，而器件的長度僅為6.5m。利用輸