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集成纳米光波导器件的设计和仿真

发布时间:2018-01-29 01:32

  本文关键词: 光通信 表面等离子体波导 硅基波导 全光开关 模式复用 出处:《华中科技大学》2015年硕士论文 论文类型:学位论文


【摘要】:提高器件集成度和通信容量是光通信器件研究的发展趋势,也是目前所面临的挑战。当前用于信息处理的电子器件正在快速地逼近原理性的速度和带宽极限,这对通信以及其他技术都是一个日益严重的问题。最有希望解决这一问题的一种方法是将信息的载体由电变为光。然而,光在电介质中存在衍射极限,这限制了光通信器件的集成度。表面等离子体波导利用金属自由电子振荡和光相互作用,能打破衍射极限,将光限制在纳米尺度内,大大提高器件集成度。本论文结合前人提出的长程表面等离子体波导、混合表面等离子体波导和楔型表面等离子体波导提出了一种长程混合楔型表面等离子体波导;我们用有限元方法仿真了波导的模场性质,结果显示在保持类似模场限制的情况下损耗大大减小;我们分析了波导的制作方法和制作误差对模场性质的影响,结果显示在140度楔角下,波导具有较好的制作误差容忍度。我们还设计了一种长程混合狭缝型表面等离子体波导,并仿真了利用这一波导中非简并四波混频效应的全光开关。在增大通信容量方面,基于硅基波导的片上模式复用和波分复用等复用技术一样,可以在一个新的维度上增大通信容量。在本论文中,我们利用基于绝缘体上硅条状波导的宽度渐变非对称定向耦合器,设计和仿真了可用于片上模式复用系统中的模式交换和模式广播器件。仿真结果显示,我们设计的器件能高效地实现模式复用,模式交换和模式广播的功能,并且器件插入损耗小、制作工艺简单。
[Abstract]:Improving the integration and communication capacity of optical communication devices is the development trend and challenge of optical communication devices. At present, electronic devices for information processing are rapidly approaching the limit of the principle speed and bandwidth. This is an increasingly serious problem for communications and other technologies. One of the most promising ways to solve this problem is to change the carrier of information from electricity to light. However, light has diffraction limits in the dielectric. This limits the integration of optical communication devices. Surface plasma waveguides can break the diffraction limit by using metal free electron oscillations and optical interactions and limit the light to nanometer scale. The integration of the device is greatly improved. A long range mixed wedge surface plasma waveguide is proposed for mixed surface plasma waveguides and wedge-shaped surface plasmas waveguides. The mode field properties of the waveguide are simulated by finite element method. The results show that the loss is greatly reduced when the similar mode field is kept. The influence of the fabrication method and the error of the waveguide on the mode field properties is analyzed. The results show that the waveguide is at a wedge angle of 140 degrees. The waveguide has good error tolerance. We also design a long range mixed slit surface plasma waveguide. The all-optical switch with non-degenerate four-wave mixing effect is simulated. In the aspect of increasing communication capacity, on-chip mode multiplexing and wavelength division multiplexing based on silicon-based waveguide are the same. In this thesis, we use a width-gradient asymmetric directional coupler based on silicon strip waveguide on insulator. The mode switching and mode broadcasting devices which can be used in the on-chip mode multiplexing system are designed and simulated. The simulation results show that the designed devices can efficiently realize the functions of mode multiplexing, mode switching and mode broadcasting. And the device insertion loss is small, the fabrication process is simple.
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TN252

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