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摘 要

金属与介质构成的混合等离子体波导由于其独特的光波特性受到越来越多的关注，广泛应用于诸如定向耦合器，偏振分离器，偏振旋转器等各类光子器件中。金属-半导体-金属、金属-聚合物等结构均可以作为等离子体波导，常用的金属包括金、银和铝等贵金属，它们的介电常数以复数形式表示。与传统光波导不同的是表面等离子体波导能够将电磁波很好地局限在金属-介质界面。波导模式理论或者偏振态等问题可应用于分析处理在硅基上集成混合等离子体波导并形成定向耦合器结构。

本文主要针对在硅基的基础上研究混合等离子体波导构成的定向耦合器的全矢量模式特性问题，对全矢量模式做出较为全面的分析和处理，对混合等离子体波导构成的定向耦合器下的模式和关键波导参数进行分析。

本文从光波导理论、等离子体波导定向耦合器的设计及混合等离子体波导定向耦合器性能与相关参数的变化关系这几个方面出发，深入分析单硅基混合等离子体波导的全矢量模式特性，给出模场分布及其色散特性，揭示其模场的混合特性；并在此基础上，深入分析硅基混合等离子体波导构成的定向耦合器全矢量模式特性，给出模场分布，给出耦合长度与关键波导参数的关系。

关键词：混合等离子体波导；定向耦合器；模场；折射率

The analysis of full vector mode characteristics of a silicon-based hybrid plasma waveguide directional coupler

Abstract

The hybrid plasma waveguide attracts lots of attention with the advantages of unique optical characteristics, which composed of metal and dielectric materials. It is utilized in kinds of integrated photonic devices widespread, such as directional coupler, polarization separator and polarization rotator.

Structures of Metal-Semiconductor-Metal and Metal-Polymer can be utilized in plasma waveguides. Common metals including gold, silver, aluminum and other precious metals are used, and their dielectric constant expressed in the plural form. On the contrast, surface plasma waveguide can confine the electromagnetic wave in Metal-Dielectric interface well which different with the traditional optical waveguide. The waveguide mode and polarization characteristics can be applied to the integrated hybrid plasma waveguides in directional coupler structure which based on a silicon substrate.

In this paper, a silicon-based hybrid plasma waveguide directional coupler is proposed. Full vector model features of the proposed device are studied and the characteristics also are discussed in detail. And the key parameters of the device are analyzed. Furthermore, the transmission characteristic of silicon-based hybrid plasma waveguide directional coupler is demonstrated.

In addition, the mixing characteristics of mode field, full vector mode characteristics of single silicon-based hybrid plasma waveguides, the mode field distributions and dispersion are studied, perspective from the optical waveguide theory, the design of the hybrid plasma waveguide directional coupler and the change of the relationship between performance and the related parameters of hybrid plasma waveguide directional coupler, The results show that the mode field distributions and coupling length as functions of the key parameters of device.

Keywords: hybrid plasma waveguide; directional coupler; mode field; refractive index

目 录

硅基混合等离子体波导定向耦合器全矢量模式特性分析 I

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 硅基光子学 1

1.2.1 硅基光子材料 2

1.2.2 硅基光子器件 2

1.2.3 硅基光子集成 3

1.3 光波导研究现状 4

1.3.1 常规硅基光波导 4

1.3.2 表面等离子体波导 4

1.3.3 混合等离子体波导 5

1.4 光波导模式理论 5

1.4.1 模式传输理论 6

1.4.2 偏振模理论 8

1.4.3 耦合模理论 8

1.4.4 定向耦合器 9

1.4.5 全矢量模式特性分析方法 10

1.5 测试硅基混合等离子体波导定向耦合器方法及仿真软件介绍 11

1.6 本文研究的目的和主要研究内容 12

第二章 等离子体波导定向耦合器的设计 13

2.1 等离子体波导 13

2.1.1 金属光学特性 13

2.1.2 混合等离子体波导基本理论 14

2.2混合等离子体波导定向耦合器的设计 17

2.2.1 器件结构 17

2.2.2 输入波导的模场分布 18

2.2.3 器件折射率分布 18

2.2.4 仿真参数的设定 20

2.3 混合等离子体波导定向耦合器的性能参数 22

2.4 本章小结 23

第三章 混合等离子体波导定向耦合器传输的理论分析及注意事项 24

3.1 FDTD原理介绍 24

3.2 模型建立及参数设置 25

3.3 耦合长度与波导参数的关系 26

3.4 本章小结 26

总结 27

致谢 28

参考文献 29

绪论

1.1 引言

在现在这个信息化时代，人们希望以更快的速度得到更多的信息，随着通信容量要求的不断提升，传统的通信技术需要得到大幅度的提升。所以现代信息技术的发展势必要求建设一个高速大容量的宽带综合业务网。而建设这样一个网络，对器件有更高的集成度要求。摩尔定律指出，当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍^[1][1]，自摩尔定律提出以来，半导体行业一直按这个规律发展，但是，随着晶体管电路集成度的提高，这个定律正面临着失效的可能。相比于电子集成，光子集成电路有着众多优点，如抗电磁干扰能力强、工作带宽大、发热少等，而且硅有着成熟的加工工艺，因此硅基光子学便得到了大力的发展。为实现光子集成器件的超高集成度，人们发展了混合等离子体波导。混合等离子体波导把半导体介质波导和金属等离子体波导结合起来，其模场主要集中在半导体介质和金属之间的间隙之中。从光子集成器件的方面来说，硅基混合等离子体波导使芯片集成更易于实现，在光电子集成应用方面具有很大的优势，并且硅基混合等离子体波导的制作工艺与CMOS工艺兼容，适合大批量生产。同时，它还兼容于目前发展速度很快的硅光子集成。这些优势使得研究硅基混合等离子体波导及集成器件意义非常重大。利用硅基混合等离子体波导结构具有的双折射效应，可实现包括起偏器、定向耦合器和偏振旋转器等在内的超小型偏振相关器件。

这些基于混合等离子体波导的光子器件已经越来越引起了人们的研究兴趣，而作为光学系统中的基础元件，定向耦合器广泛应用于波导间耦合、光开关、滤波、偏振选择以及激光器等方面^[2][2]。研究混合等离子体波导定向耦合器有利于光子器件的小型化及高光子集成度的实现。

1.2 硅基光子学

硅基半导体推动了微电子产业的迅猛发展，但随着晶体管尺寸的减小和集成度的提高，摩尔定律遇到瓶颈，硅基半导体的发展也将接近极限，而且现在的化合物半导体发光器件与CMOS工艺不兼容也是一大重要问题，而光电子技术的高速发展，结合了光子技术和微电子技术，硅基光子学便应运而生。硅基光子学在硅基上研究并设计制作各类光学元器件，使器件实现光的发射、传输、接收等功能^[3][3]。与传统的化合物半导体相比，硅在光通信领域拥有巨大的优势。硅在地壳中含量为26.3%，资源丰富，价格低廉；硅很好地兼容于传统的CMOS工艺，利于集成；硅的折射率大，非常适合用于波导的制作；另外硅片具有很好的机械性能，易于对其进行加工。

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