基于硅基表面等离子体波导的偏振器件研究

摘要

偏振分束器和偏振旋转器等偏振器件可实现对偏振态的操控，在偏振复用通信系统中有着重要的地位，可集成化偏振器件对偏振敏感的光子集成回路以及偏振分集的光子集成芯片都是不可或缺的核心部件。光子集成回路中要求偏振器件具备尺寸小、偏振消光比高、损耗低等性能，而基于硅基和表面等离子体激元的偏振器件具备这方面的优点，是国内外研究热点。本论文围绕硅基表面等离子体激元偏振器件的设计开展了一定的理论研究工作，研究内容主要包括：
　　1)介绍了偏振器件的研究现状以及面临的挑战，分析了利用表面等离子体波导来实现亚波长尺寸偏振器件的可行性，进而分析了表面等离子体的色散模型。在此基础上分析了金属和介质界面上表面等离子体的激发方式，并对硅基器件设计中最常用的几种波导结构进行了模式分析。
　　2)提出了一种基于硅基狭缝结构的偏振分束器方案。利用垂直狭缝对TE模式的高度局域特性，采用非对称定向耦合方式，实现了耦合区长度仅有2μm的偏振分束器。通过模拟仿真和参数优化，在整个C波段范围内实现了：TE和TM模式的消光比分别在25 dB和20 dB以上，插入损耗分别小于0.1 dB和1 dB。
　　3)提出了一种基于表面等离子体弯曲波导的偏振分束器。通过利用波导中TM模式的光程相同，可以耦合到交叉波导输出，实现分束功能。通过参数优化，耦合区长度为3.95μm，在1450 nm-1550 nm波长范围内，TE模式的透过率在98%以上， TM模式的透过率在90%以上，并且在±30 nm工艺容差范围内，TE和TM模式的消光比都在20 dB左右。该结构可实现较小尺寸、较高消光比和超大工艺容忍度的偏振分束器。
　　4)提出了一种基于L型表面等离子体波导的高性能偏振旋转器。针对目前存在的绝大多数硅基偏振旋转器件中包层和衬底必须采用不同材料的局限，利用L型波导的非对称结构对光轴进行旋转，波导中的两种混合模式相互干涉，经过3μm的旋转区长度，TM模式的偏振消光比可以达到25.19 dB，而TE模式的偏振消光比可以达到33.85 dB。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 偏振器件的研究现状

1.3 表面等离子体光子学的发展历程

1.4 基于表面等离子体的偏振器件

1.5 本论文的主要工作

2 表面等离子体的理论知识

2.1 表面等离子体的基本概念

2.2 表面等离子体波导结构

2.3 本章小结

3 常见的几种波导模式分析

3.1 条形硅波导的模式分析

3.2 狭缝波导的模式分析

3.3 混合表面等离子体波导的模式分析

3.4 本章小结

4 基于狭缝波导的偏振分束器特性分析

4.1 基于狭缝波导的偏振分束器的结构和工作原理

4.2 器件的传输特性

4.3 工艺容差

4.4 本章小结

5 基于表面等离子体波导的偏振器件特性分析

5.1 基于弯曲表面等离子体波导的偏振分束器的结构和工作原理

5.2 基于弯曲表面等离子体波导的偏振分束器的性能分析

5.3 基于表面等离子体波导的偏振旋转器的结构和工作原理

5.4 基于表面等离子体波导的偏振旋转器的性能分析

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文