【摘 要】
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随着通信业务量的不断发展,电子器件的带宽和速度已经无法满足现代高速通信技术的需求,而拥有着大带宽和快速率的光学器件受到衍射极限的影响,尺寸较大,通常在波长量级。表面等离子体激元（Surface Plasmon Polariton,SPP）能突破衍射极限,将电磁波限制在亚波长量级传输,因此等离子体光学器件尺寸较小,易于集成。近年来,水平金属-介质-金属（Metal-Insulator-Metal,M
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随着通信业务量的不断发展,电子器件的带宽和速度已经无法满足现代高速通信技术的需求,而拥有着大带宽和快速率的光学器件受到衍射极限的影响,尺寸较大,通常在波长量级。表面等离子体激元（Surface Plasmon Polariton,SPP）能突破衍射极限,将电磁波限制在亚波长量级传输,因此等离子体光学器件尺寸较小,易于集成。近年来,水平金属-介质-金属（Metal-Insulator-Metal,MIM）波导结构的等离子体光调制器是纳米光子学的研究热点,但在金属薄膜上刻蚀纳米量级的狭缝波导难度较大,将MIM波导做成垂直镀层式结构可以解决这一问题。为了降低调制器实际制作难度,同时优化调制器性能,本文基于硅基波导耦合设计了垂直MIM波导等离子体光调制器,主要分为偏振旋转模块、耦合模块和电光调制模块三大部分,用COMSOL软件对各模块进行仿真分析和优化。主要研究内容如下:1.介绍了SPP的相关理论、激发方式和传输特性,并对MIM波导中的传输模式进行分析,为调制器的设计提供理论基础。比较了垂直MIM波导和水平MIM波导结构,等离子体槽的长宽比增大,会导致SPP传输波长减小,展示了垂直MIM波导结构的优势。2.设计了调制器的偏振旋转模块和耦合模块。全锥形等离子体偏振旋转器可以避免波导尺寸突变造成的较大损耗,偏振旋转长度为4.9μm。为了优化器件长度,在偏振旋转器的矩形金属条两端引入taper结构,偏振旋转总长度仅需3.4μm,偏振转换效率高达99.6%,模式转换总损耗为1.20 d B。偏振旋转后的TM模通过锥形结构耦合至垂直MIM波导中,转化为SPP传输。3.设计了电光调制模块并分析了等离子体调制器的整体性能。优化后的等离子体光调制器半波电压长度积仅0.025 V×mm,消光比为31.17 d B,传输损耗为14.48 d B,整个器件所占面积仅为34.8′8μm~2。水平MIM波导结构的调制器半波电压长度积为0.033 V×mm,与水平MIM波导的调制器相比,垂直MIM波导等离子体光调制器不仅结构更容易实现,而且可以通过增大等离子体槽的长宽比,减小SPP的传输波长,从而减小调制器的半波电压长度积。基于TM硅基波导耦合的等离子体调制器不需要偏振旋转模块,因此损耗更低,插入损耗为12.03dB。
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