基于表面等离子体波的硅基集成非线性光波导设计(2)
Keywords surface plasmon wave silicon-based waveguide nonlinear coefficient propagation length figure of merit
目录
1绪论..1
1.1表面等离子体..1
1.2硅基非线性光波导2
1.3基于表面等离子体波的硅基非线性光波导4
1.4本文的主要内容及工作.4
2表面等离体波.6
2.1模式理论..6
2.2色散理论及激发方式..9
2.3小结..11
3基于表面等离子体硅基非线性光波导..12
3.1非线性效应成因..12
3.2非线性波导评价指标13
3.3模场分布计算方法.16
3.4小结..17
4基于表面等离子体硅基非线性光波导设计与分析..18
4.1波导结构设计18
4.2仿真与分析.18
4.3波导几何结构分析与优化24
4.4小结..30
5基于光纤石墨烯四波混频的波长转换实验32
5.1四波混频效应32
5.2实验原理及装置..33
5.3实验结果与分析..35
5.4小结..38
结论..39
致谢..40
参考文献.41
附录A传播长度、非线性系数MATLAB计算程序..43
1 绪论 1960 年红宝石激光器的发明为人们提供了频率稳定的光源，拉开了现代光通信研究的序幕。激光在介质中传播时，在一定条件下就会产生各种非线性光学效应，这推动了非线性光学的研究和非线性器件的研制。 集成电路芯片的寄生效应和信号串扰，电互连带来的延迟、带宽和功耗等问题限制了集成电路性能的进一步提升；光通信具有高速、传输容量大、功耗小和抗电磁干扰等优点，近些年来光路集成和光互连得到了较广泛的研究[1]。通信系统采用全光信号处理技术而减少光电转换模块的使用，能显著提高系统的信号处理速度和降低功耗。全光网络中的许多光互连器件是基于非线性效应制成的光子集成波导器件，硅基波导具有良好的集成特性和非线性效应而被得到广泛应用，也因而推动了全光网络的发展。目前已先后实现了全光波长转换、激光器、光放大器、光开关、光交换、光信号处理和光纤色散补偿等全光网的必需技术[2]。 表面等离子体激元(surface plasmon polaritons， SPPs)是光子和金属表面电子相互作用而激发出的一种电磁波模式，具有局部场增强效应、亚波长局域和新颖色散等特性[4]。传统的光子器件受衍射极限的影响，集成器件的尺寸被限定在微米量级；而表面等离子体波导具有亚波长局域特性，能突破衍射极限，从而可以实现纳米光子集成[4]。表面等离子体波存在于金属和介质的交界处，具有局部场增强效应，从而提高了光场密度。硅材料的三阶非线性系数不够高，相应的硅基非线性波导存在非线性效率较低的问题。将金属和硅材料相结合，利用表面等离子体波的局域特性，能显著提高光强密度，进而提高非线性波导的非线性性能。这将使得非线性器件的实用性得到增强，推动全光网络和光通信系统集成的发展。 1.1 表面等离子体 表面等离子体波是一种沿金属介质表面纵向传播的电磁波，在横向上光强迅速衰减，具有局部增强效应和亚波长局域等特性，可应用于亚波长光学、数据存储、发光技术、显微技术和生物光子学等领域，吸引了多领域、跨学科方面的学者和研究部门的关注[4]。 表面等离子波理论的研究可追溯到二十世纪初，1902 年，Wood[6]在金属光栅衍射实验中观察到异常现象，即除了正常的光栅衍射峰还存在新的衍射峰，这用当时光的衍射理论是无法解释的。直到1941 年，Fano[7]采用共振理论解释了这一现象，认为这是由于光栅衍射光波和金属表面的某种波相互作用的结果，只有在特定衍射角的情况下，才满足光的动量守恒的条件，进而出现新的衍射峰。而后不久，人们将金属表面激发的模式定义为表面等离子激元。与此同时，随着工艺的进步，人们可以加工微纳元件和回路，SPPs 效应得以显现[8]。
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