表面等離激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)是由于光波和金屬表面的自由電子相互作用而產(chǎn)生的一種橫磁波,其沿金屬與介質(zhì)的表面?zhèn)鞑?場(chǎng)分布在金屬和介質(zhì)中呈指數(shù)形式衰減。表面等離子波在相鄰介質(zhì)中的穿透深度小于半波長(zhǎng),這種特性使之可以突破衍射極限操縱光子,在亞波長(zhǎng)的尺度下,制造光子回路,在高速數(shù)據(jù)傳輸、生物檢測(cè)、光電集成等方面都有著廣泛的應(yīng)用。為降低器件的傳輸損耗,本文使用負(fù)性光刻膠SU-8和聚甲基丙烯酸甲酯-甲基酸環(huán)氧丙酯(P(MMA-GMA))作為器件的包層材料,使用金作為波導(dǎo)的芯層材料。利用旋涂、光刻和濕法腐蝕等工藝,制備了長(zhǎng)程表面等離子(LongRange Surface Plasmon Polariton,LRSPP)波導(dǎo)器件,并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試,本文主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:(1)基于超薄金膜的長(zhǎng)程表面等離子波導(dǎo)的制備及測(cè)試。在不同的基底上蒸鍍不同厚度的金膜,并利用濕法腐蝕工藝將其制作成波導(dǎo);使用原子力顯微鏡(AFM)和掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)金膜及波導(dǎo)的表面的粗糙度及形貌進(jìn)行表征,結(jié)果表明表面能和電負(fù)性對(duì)金膜的生長(zhǎng)有著顯著的影響;用光纖-端面耦合的激發(fā)方法,在1550 nm波長(zhǎng)下,對(duì)制備完成的LRSPP直波導(dǎo)器件進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明LRSPP波導(dǎo)傳輸損耗隨金屬薄膜厚度減小而下降。(2)長(zhǎng)程表面等離子波導(dǎo)熱光開關(guān)的制備及性能測(cè)試。使用薄P(MMAGMA)作為濕法腐蝕制備金波導(dǎo)的掩膜,避免了因去除波導(dǎo)表面光刻膠而對(duì)金波導(dǎo)造成損傷;利用COMSOL軟件模擬了波導(dǎo)內(nèi)的光功率分布和熱場(chǎng)能量分布,采用CMOS工藝制備LRSPP波導(dǎo)熱光開關(guān);性能測(cè)試表明,當(dāng)器件的驅(qū)動(dòng)功率為18 mW時(shí),消光比為20 dB,開關(guān)的上升和下降時(shí)間分別為2.5 ms和3.4 ms。(3)Mach-Zehnder(M-Z)型LRSPP波導(dǎo)熱光開關(guān)的制備和測(cè)試。在優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,繪制了波導(dǎo)版圖;使用COMSOL 4.4模擬計(jì)算了光在通過波導(dǎo)中狹縫結(jié)構(gòu)時(shí)功率的變化,研究了狹縫結(jié)構(gòu)對(duì)LRSPP光傳輸?shù)挠绊?使用濕法腐蝕的方法去除電極上的光刻膠,得到高質(zhì)量的電極表面,并簡(jiǎn)化了制備工藝,提高了器件的使用壽命;制備了不同寬度的狹縫直波導(dǎo)器件和MZI型LRSPP波導(dǎo)熱光開關(guān),分別對(duì)其傳輸性能進(jìn)行了測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)狹縫的寬度小于10μm時(shí),其所導(dǎo)致的光損耗不超過3 dB,當(dāng)驅(qū)動(dòng)功率為13 mW時(shí),熱光開關(guān)器件具有17 dB的消光比,開關(guān)上升和下降時(shí)間分別為720μs和940μs。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：TN929.1
【部分圖文】：

Thomas Nikolajsen等人報(bào)道了長(zhǎng)程表面等離子自電極MZ結(jié)構(gòu)的熱光開關(guān)[28]，如圖1.1所示。他們使用金同時(shí)作為芯層和電極，用來同時(shí)傳輸電信號(hào)和光信號(hào)。為了防止電信號(hào)對(duì)光信號(hào)產(chǎn)生影響，在器件中制作了具有間隙的金芯層結(jié)構(gòu)。當(dāng)施加電功率為8mW時(shí)，器件的消光比可達(dá)到35dB以上，響應(yīng)時(shí)間約為0.7ms。圖 1.1 基于 LRSPP 的光開關(guān)器件2013年，Jongwon Lee報(bào)道了采用二氧化硅作為下包層，聚合物作為上包層，金作為波導(dǎo)芯層制作的寬調(diào)制范圍熱光等離子帶通濾波器[29]，如圖1.2所示。金芯層的厚度為20nm

為波導(dǎo)芯層制作的寬調(diào)制范圍熱光等離子帶通濾波器[29]，如圖1.2所示。金芯層的厚度為20nm，寬度為7μm。由溫度變化而引起的聚合物折射率的微小變化可導(dǎo)致器件的中心響應(yīng)波長(zhǎng)有很大偏移，從而完成濾波作用。器件的調(diào)制溫度變化范圍為8°C，波長(zhǎng)調(diào)制范圍為222nm，調(diào)制精度為28nm/°C。2010年，Suntak Park等人研究了基于熱效應(yīng)的對(duì)稱結(jié)構(gòu)和非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的LRSPP波導(dǎo)器件[30]，對(duì)稱結(jié)構(gòu)LRSPP波導(dǎo)的包層均為熱光系數(shù)為負(fù)的聚合物材料ZPU12系列，當(dāng)器件溫度發(fā)生變化時(shí)，上下包層材料的折射率會(huì)發(fā)生變化

但其下包層為熱光系數(shù)為正的二氧化硅，當(dāng)器件溫度發(fā)生變化時(shí)，因其上下包層熱光系數(shù)相反，不再對(duì)稱，導(dǎo)致無法保持LRSPP模式，光功率衰減迅速增大，其器件熱靈敏度較大約為0.3dB/°C，LRSPP器件結(jié)構(gòu)端面示意圖如圖1.3所示。2013年，Suárez等人設(shè)計(jì)了一種新型的等離子波導(dǎo)器件[31]，器件基于一個(gè)較薄的活性納米復(fù)合材料與較厚的聚合物材料所構(gòu)成的雙介質(zhì)包層，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是泵浦光可以被耦合到聚合物，在沿波導(dǎo)傳輸時(shí)可激發(fā)量子點(diǎn)，通過對(duì)器件尺寸的調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)最佳的增益。圖 1.2 基于 LRSPP 的帶通濾波器圖 1.3 基于 LRSPP 的波導(dǎo)器件（a）對(duì)稱結(jié)構(gòu)，（b）非對(duì)稱結(jié)構(gòu)1.2.2 數(shù)據(jù)傳輸器件應(yīng)用2012年，Jung Jin Ju等人采用聚合物作為包層，金為芯層的結(jié)構(gòu)制作的柔性光互聯(lián)器

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本文編號(hào)：2821359