长程表面等离子波导热光开关器件研究

发布时间：2020-09-18 07:07

　　 表面等离激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)是由于光波和金属表面的自由电子相互作用而产生的一种横磁波,其沿金属与介质的表面传播,场分布在金属和介质中呈指数形式衰减。表面等离子波在相邻介质中的穿透深度小于半波长,这种特性使之可以突破衍射极限操纵光子,在亚波长的尺度下,制造光子回路,在高速数据传输、生物检测、光电集成等方面都有着广泛的应用。为降低器件的传输损耗,本文使用负性光刻胶SU-8和聚甲基丙烯酸甲酯-甲基酸环氧丙酯(P(MMA-GMA))作为器件的包层材料,使用金作为波导的芯层材料。利用旋涂、光刻和湿法腐蚀等工艺,制备了长程表面等离子(LongRange Surface Plasmon Polariton,LRSPP)波导器件,并对其性能进行了测试,本文主要内容包括以下几个方面:(1)基于超薄金膜的长程表面等离子波导的制备及测试。在不同的基底上蒸镀不同厚度的金膜,并利用湿法腐蚀工艺将其制作成波导;使用原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)对金膜及波导的表面的粗糙度及形貌进行表征,结果表明表面能和电负性对金膜的生长有着显著的影响;用光纤-端面耦合的激发方法,在1550 nm波长下,对制备完成的LRSPP直波导器件进行测试,结果表明LRSPP波导传输损耗随金属薄膜厚度减小而下降。(2)长程表面等离子波导热光开关的制备及性能测试。使用薄P(MMAGMA)作为湿法腐蚀制备金波导的掩膜,避免了因去除波导表面光刻胶而对金波导造成损伤;利用COMSOL软件模拟了波导内的光功率分布和热场能量分布,采用CMOS工艺制备LRSPP波导热光开关;性能测试表明,当器件的驱动功率为18 mW时,消光比为20 dB,开关的上升和下降时间分别为2.5 ms和3.4 ms。(3)Mach-Zehnder(M-Z)型LRSPP波导热光开关的制备和测试。在优化器件结构基础上,绘制了波导版图;使用COMSOL 4.4模拟计算了光在通过波导中狭缝结构时功率的变化,研究了狭缝结构对LRSPP光传输的影响;使用湿法腐蚀的方法去除电极上的光刻胶,得到高质量的电极表面,并简化了制备工艺,提高了器件的使用寿命;制备了不同宽度的狭缝直波导器件和MZI型LRSPP波导热光开关,分别对其传输性能进行了测试,实验结果表明,当狭缝的宽度小于10μm时,其所导致的光损耗不超过3 dB,当驱动功率为13 mW时,热光开关器件具有17 dB的消光比,开关上升和下降时间分别为720μs和940μs。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TN929.1
【部分图文】：

Thomas Nikolajsen等人报道了长程表面等离子自电极MZ结构的热光开关[28]，如图1.1所示。他们使用金同时作为芯层和电极，用来同时传输电信号和光信号。为了防止电信号对光信号产生影响，在器件中制作了具有间隙的金芯层结构。当施加电功率为8mW时，器件的消光比可达到35dB以上，响应时间约为0.7ms。图 1.1 基于 LRSPP 的光开关器件2013年，Jongwon Lee报道了采用二氧化硅作为下包层，聚合物作为上包层，金作为波导芯层制作的宽调制范围热光等离子带通滤波器[29]，如图1.2所示。金芯层的厚度为20nm

为波导芯层制作的宽调制范围热光等离子带通滤波器[29]，如图1.2所示。金芯层的厚度为20nm，宽度为7μm。由温度变化而引起的聚合物折射率的微小变化可导致器件的中心响应波长有很大偏移，从而完成滤波作用。器件的调制温度变化范围为8°C，波长调制范围为222nm，调制精度为28nm/°C。2010年，Suntak Park等人研究了基于热效应的对称结构和非对称结构的LRSPP波导器件[30]，对称结构LRSPP波导的包层均为热光系数为负的聚合物材料ZPU12系列，当器件温度发生变化时，上下包层材料的折射率会发生变化

但其下包层为热光系数为正的二氧化硅，当器件温度发生变化时，因其上下包层热光系数相反，不再对称，导致无法保持LRSPP模式，光功率衰减迅速增大，其器件热灵敏度较大约为0.3dB/°C，LRSPP器件结构端面示意图如图1.3所示。2013年，Suárez等人设计了一种新型的等离子波导器件[31]，器件基于一个较薄的活性纳米复合材料与较厚的聚合物材料所构成的双介质包层，该结构的优点是泵浦光可以被耦合到聚合物，在沿波导传输时可激发量子点，通过对器件尺寸的调节可以实现最佳的增益。图 1.2 基于 LRSPP 的带通滤波器图 1.3 基于 LRSPP 的波导器件（a）对称结构，（b）非对称结构1.2.2 数据传输器件应用2012年，Jung Jin Ju等人采用聚合物作为包层，金为芯层的结构制作的柔性光互联器

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本文编号：2821359