本文選題：片上集成光路 + SOI納米線波導　； 參考：《國防科學技術(shù)大學》2015年博士論文

【摘要】：集成光路是滿足日益增長的光通信網(wǎng)絡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作為切入點,圍繞新型片上集成波導功能器件開展了一系列原理結(jié)構(gòu)設計,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納米線波導模式控制上的應用。SOI納米線波導模式控制是集成光路的基礎性課題,其在偏振分復用技術(shù)和多模空分復用技術(shù)中有巨大的應用前景。本課題在簡要分析了SOI納米線波導模式和金屬表面等離激元的基本特性后,提出了利用硅/金屬混合波導控制SOI納米線波導的新方法�；诙嗄８缮嬖�,通過巧妙地設計硅/金屬混合的本征場分布,用兩種不同硅/金屬混合波導分別實現(xiàn)了超緊湊的波導類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1.55?m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1.1?m,在波長1.55?m處的消光比達到30 dB。(2)改進了現(xiàn)有的石墨烯等離激元波導結(jié)構(gòu)。在深入分析了石墨烯光學電導率,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結(jié)構(gòu)。這種波導結(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的基礎功能器件。論文研究了求解介質(zhì)裝載型石墨烯等離激元波導模式色散關(guān)系的等效折射率解析模型。討論了該波導的模式截止條件,單模范圍以及模式特性的可調(diào)性。在此基礎上,進一步深入研究介質(zhì)裝載型石墨烯等離激元波導間的定向耦合特性,發(fā)現(xiàn)改變石墨烯費米能級能有效地調(diào)控波導間的定向耦合功率比,并基于此設計了中紅外波段電可控光開關(guān),開關(guān)比在波長10.5?m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,又保持了與波導集成的方便性。針對特定的應用,論文提出了一種簡單的納米條帶腔設計方法,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%。在理論分析的基礎上,用輸入和輸出波導對稱的結(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1.55?m附近的調(diào)制幅度達到7 dB,而器件的長度僅為6.5?m。利用輸入和輸出波導不對稱的結(jié)構(gòu),首次實現(xiàn)了片上集成石墨烯近似完美吸收體,并詳細地討論具體的設計方法。仿真結(jié)果表明石墨烯的吸收率達到了97%,而石墨烯的長度僅為1.7?m。
[Abstract]:Integrated optical path is an effective way to meet the increasing capacity of optical communication network and to solve the bottleneck of high performance computer electrical interconnection. In this subject, a series of principles and structures are designed around the new integrated waveguide functional devices. The main research content and research results are as follows. (1) explore gold. The application of.SOI nanowire waveguide mode control in SOI nanowire waveguide mode control is the basic subject of integrated optical path. It has great application prospects in the polarization division multiplexing and multimode space division multiplexing technology. This topic is a brief analysis of the SOI nanowire waveguide mode and the base of metal surface plasmon. After this, a new method of controlling SOI nanowire waveguide by silicon / metal hybrid waveguide is proposed. Based on the principle of multimode interference, the eigenfield distribution of silicon / metal mixture is designed ingeniously. The ultra compact waveguide like TE polarization and TM polarization converter and TE like TE like TE are realized by the clever design of the mixed waveguide distribution of silicon / metal. The numerical simulation results show that the polarization extinction ratio of the polarization converter reaches 26.5 dB at the wavelength 1.55? M, while the conversion length only needs 610 nm. class TE base mode and the class TE first order mode converter only 1.1? M, and the extinction ratio at the wavelength 1.55? M reaches 30 dB. (2) and improves the existing plasmon waveguide junction. After analyzing the relationship between the optical conductivity of graphene, the relation between the Fermi energy and the polarization voltage, and the dispersion relation of the plasmons, such as graphene, the structure of the dielectric loaded graphene is proposed. This waveguide structure is based on the equivalent refractive index constraint, and does not require etching of graphene, and no need for Shi Moxi. Local doping, and easy to be processed and integrated, is expected to be the basic functional device for the ionization of graphene and other polaritons. This paper studies the analytical model of the equivalent refractive index of the mode dispersion relation of the dielectric loaded plasmon waveguide mode, such as loaded graphene, and discusses the mode stop condition, the single mode range and the adjustable mode characteristics of the waveguide. On this basis, the directional coupling characteristics between the dielectric loaded graphene and other ionization waveguides are further studied. It is found that the change of the Fermi energy level of graphene can effectively control the directional coupling power ratio between the waveguides, and based on this, an electrically controlled optical switch in the middle infrared band is designed, and the switch ratio reaches 16 dB. (3) at the wavelength of 10.5? M. A new method of interaction between graphene enhanced graphene with nanoscale strip cavity and visible near infrared light. The advantages of nanoscale strip lumen waveguide and cavity are presented. The coupling system of graphene and nanoscale cavity is used both to use the field enhancement effect of the cavity and to maintain the convenience of integrating with the waveguide. The possible state of graphene and nanoscale coupling system is analyzed in principle with transient coupled mode theory. For the symmetric structure of the input and output waveguides, the absorption rate of graphene is up to 50%; for the asymmetric structure of the input and output waveguides, the principle of graphene is satisfied when the critical coupling condition is satisfied. On the basis of theoretical analysis, on the basis of theoretical analysis, the ultra compact integrated graphene electro-optical modulator is realized by the symmetrical structure of input and output waveguides. The simulation results show that the modulation amplitude of the electro-optical modulator reaches 7 dB near the wavelength of 1.55? M, while the length of the device is only 6.5? M. using the input and output waveguides asymmetry. For the first time, the perfect absorption of graphene is approximately perfect. The specific design method is discussed in detail. The simulation results show that the absorption rate of graphene is up to 97% and the length of graphene is only 1.7? M..
【學位授予單位】：國防科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN25

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本文編號：2093443