基于硅基表面等离子体波导的偏振器件研究

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1、分类号学号M201472573学校代码10487密级硕士学位论文基于硅基表面等离子体波导的偏振器件研究学位申请人：刘锐学科专业：光学工程指导教师：张新亮教授答辩日期：2017.06.12AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreefortheMasterofEngineeringResearchonPolarizationDeviceswithsilicon-basedSurfacePlasmonicWaveguideCandidate：RuiLiuMajor：Op

2、ticalEngineeringSupervisor：Prof.XinliangZhangHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaJune12,2017独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日

3、学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学硕士学位论文摘要偏振分束器和偏振旋转器等偏振器件可实现对偏振态的操控，在偏振复用通信系统中有着重要的地位，可集成化

4、偏振器件对偏振敏感的光子集成回路以及偏振分集的光子集成芯片都是不可或缺的核心部件。光子集成回路中要求偏振器件具备尺寸小、偏振消光比高、损耗低等性能，而基于硅基和表面等离子体激元的偏振器件具备这方面的优点，是国内外研究热点。本论文围绕硅基表面等离子体激元偏振器件的设计开展了一定的理论研究工作，研究内容主要包括：1)介绍了偏振器件的研究现状以及面临的挑战，分析了利用表面等离子体波导来实现亚波长尺寸偏振器件的可行性，进而分析了表面等离子体的色散模型。在此基础上分析了金属和介质界面上表面等离子体的激发方式，并对硅基器件设计中最常用的几种波导结构进行了模式分析

5、。2)提出了一种基于硅基狭缝结构的偏振分束器方案。利用垂直狭缝对TE模式的高度局域特性，采用非对称定向耦合方式，实现了耦合区长度仅有2μm的偏振分束器。通过模拟仿真和参数优化，在整个C波段范围内实现了：TE和TM模式的消光比分别在25dB和20dB以上，插入损耗分别小于0.1dB和1dB。3)提出了一种基于表面等离子体弯曲波导的偏振分束器。通过利用波导中TM模式的光程相同，可以耦合到交叉波导输出，实现分束功能。通过参数优化，耦合区长度为3.95μm，在1450nm-1550nm波长范围内，TE模式的透过率在98%以上，TM模式的透过率在90%以上，并

6、且在±30nm工艺容差范围内，TE和TM模式的消光比都在20dB左右。该结构可实现较小尺寸、较高消光比和超大工艺容忍度的偏振分束器。4)提出了一种基于L型表面等离子体波导的高性能偏振旋转器。针对目前存在的绝大多数硅基偏振旋转器件中包层和衬底必须采用不同材料的局限，利用L型波导的非对称结构对光轴进行旋转，波导中的两种混合模式相互干涉，经过3μm的旋转区长度，TM模式的偏振消光比可以达到25.19dB，而TE模式的偏振消光比可以达到33.85dB。关键词：偏振分束器，偏振旋转器，表面等离子体，硅基狭缝波导，消光比I华中科技大学硕士学位论文Abstract

7、Polarizationbeamsplitter(PBS)andpolarizationrotator(PR)whichcanmanipulatethepolarizationstate,areveryimportantinpolarizationmultiplexingcommunicationsystem,andintegratedpolarizationdevicesareindispensableforphotonicintegratedcircuits(PICs),whicharesensitivetopolarization,andpol

8、arization-diversityphotonicintegratedchips.InPICs,thep