基于局域化表面等离子极化激元的偏振光分束器研究

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集成偏振光分束器是集成光学中实现偏振操作的重要器件,利用表面等离子极化激元的偏振特性是实现偏振分束的有效方法,它具有具有体积小、稳定、不需要机械对准、兼容于CMOS工艺、高带宽、功耗小、速度快等优点,在通信、数据传输、信号处理、超快计算机、自动控制以及其他许多领域有着极为广泛的应用前景。  本论文提出了利用局域化表面等离子极化激元的偏振特性实现偏振光分束的方法,并基于此方法设计了一种新型的偏振光分束器,并用FDTD方法研究了该偏振光分束器的性能参数,以及制造容差等特性,分析了影响器件工作的物理参量。具体说来,本文的主要工作以及创新点如下:  1.首次提出了利用局域化表面等离子极化激元的偏振特性在集成光学回路中实现偏振光分束的方法,并对工作原理进行了解释。  2.利用该方法设计了一种新型的偏振光分束器,该器件是在定向耦合器的两条硅波导间加入整齐排列的纳米银柱用于偏振光分离,电场方向垂直于金属表面的偏振光(TM)在金属表面激发局域化的表面能等离子体共振并且耦合到旁边的波导中传播,而电场方向平行于金属表面的偏振光(TE)受到金属很强的限制几乎不能耦合,该器件的耦合区域长度只有1.1μm,整个器件的尺寸可控制在3.5μm内,是目前报道的最小尺寸。  3.对器件的消光比,15dB带宽,插入损耗等参数进行了研究,通过FDTD方法验证得到该偏振光分束器波长λ0=1.55μm时,TM与TE端口的消光比分别为 ERTM=23.06dB,ERTE=22.06dB,同时插入损耗分别为22.06dB和23.06dB。该器件的15dB带宽为210nm,完全能够覆盖1.55μm光通信窗口。对插入损耗光谱特性的研究显示在1.47μm~1.62μm的范围内,ILTM与ILTE同时小于0.5dB,损耗控制在了相当低的水平,同时在这个范围内消光比ERTE与ERTM同时达到15dB以上,证明了该器件能同时满足高消光比,高带宽,低插入损耗的性能要求。  4.对器件的制造容差以及金属材料进行了研究,各参数的相对制造容差分别为D%=50%,d%=250%,w%=15%,L%=37%,各参数都有相对原尺寸较大的制造容差。同时该结构更换多种金属材料仍能高效运作,并能兼容于已经成熟的互补型金属氧化物半导体(CMOS)制造工艺。
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