用于光互连的表面等离子体定向耦合器的研究

论文摘要

光互连的发展迫切需要一系列超紧凑且低损耗的集成光子器件,定向耦合器是其中之一。基于表面等离子体的定向耦合器满足光互连器件尺寸小的要求,并且在传输损耗等参数上有改进的潜质。本论文在课题组前期关于混合波导的研究工作基础上,提出了两种基于混合表面等离子体波导的定向耦合器结构,并用有限元法软件COMSOL Muitiphysics和有限时域差分法软件FDTD Solutions进行了较全面的理论研究,深入探讨了其传输与耦合特性,可望获得超紧凑、低损耗,适用于光互连的定向耦合器的优化设计参数。论文首先介绍了表面等离子体定向耦合器的研究背景,并对各类型的表面等离子体波导特性进行了比较分析,确定了以综合性能较为优异的混合表面等离子体波导作为本研究采用的波导原型。然后,采用课题组前期提出的椭圆柱型硅纳米线混合表面等离子体波导,设计了新型的定向耦合器结构,分别从模式场分布、有效模式折射率、传播长度、耦合长度及传输损耗等方面对该定向耦合器的传输与耦合特性进行了仿真,并对其附加损耗、耦合度和方向性三个常规性能指标进行了评估。最后,从简化结构模型、提高工艺兼容性的角度出发,提出了基于矩形硅纳米线混合表面等离子体波导的改进型定向耦合器。沿用椭圆柱型结构的研究方法,综合对比分析了两种定向耦合器的各个特征参数,并对矩形硅纳米线进行了特定的结构优化分析,深入探讨了其对单波导特性及整个结构特性的影响。研究结果表明:在弱耦合情况下,基于椭圆柱型硅纳米线混合表面等离子体波导的新型定向耦合器的耦合长度只有1.646μm,传播损耗低至0.076dB?μm,最大耦合能量可达80%;基于矩形硅纳米线混合表面等离子体波导的改进型定向耦合器的耦合长度只有1.693μm,最大耦合能量可达83%,适当地调整矩形硅纳米线的几何结构可实现传输损耗与耦合效率之间较好的平衡。两种定向耦合器都体现出超强的光场约束能力、高耦合效率兼具低传输损耗,在综合性能上优于传统的光定向耦合器,更适用于光互连应用。

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摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 光互连的兴起

1.2 表面等离子体定向耦合器及研究现状

1.2.1 定向耦合器及表面等离子体

1.2.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章表面等离子体定向耦合器设计的理论基础

2.1 表面等离子体的基本理论

2.2 表面等离子体波导耦合的基本理论

2.2.1 光波导耦合的微扰理论

2.2.2 耦合系统的模式分析

2.3 表面等离子体定向耦合器的波导模型

2.4 表面等离子体定向耦合器的建模

2.4.1 建模方法

2.4.2 模型构建

2.5 本章小结

第3章基于混合表面等离子体波导的定向耦合器研究

3.1 基于椭圆柱型硅纳米线混合表面等离子体波导的定向耦合器

3.1.1 结构模型及模式场分布

3.1.2 传输与耦合特性分析

3.1.3 优化结构的性能分析

3.2 基于矩形硅纳米线混合表面等离子体波导的定向耦合器

3.2.1 结构模型及模式场分布

3.2.2 传输与耦合特性分析

3.2.3 固定结构的性能分析

3.2.4 结构优化分析

3.3 本章小结

第4章总结与展望

4.1 总结

4.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 曾得政

导师: 马君显

关键词: 光互连,定向耦合器,表面等离子体,传输特性,耦合特性

来源: 深圳大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,无线电电子学

单位: 深圳大学

分类号: TN622;TN256

总页数: 63

文件大小: 4319K

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