毕业设计（论文）-面等离子光波导组成的线性耦合器.doc

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1、西北民族大学学士学位论文 I 表面等离子光波导组成的线性耦合器表面等离子光波导组成的线性耦合器 摘摘 要要 基于表面等离子极化的表面等离子光波导提供了一种新的导 波机制，可以在金属表面上以表面等离子极化波的形式导引光。表面 等离子光波导的横向尺度为亚波长量级，没有传统光波导或光子晶体 光波导中存在的衍射极限，满足了光子器件小型化和光集成芯片高密 度化的要求，同时也为电路和光路的一体化提供了可能。 在表面等离子光波导中，电场高度集中于金属和介质的界面上， 能量密度非常大，所以为线性效应的利用提供了有利条件，也为亚波 长线性器件的构成提供了可能。更重要的是，基于线性表面等离子光 学的有源光器件将实

2、现允许用光来控制光，从而为实现全光集成光路 提供理论依据及思路。 本文运用耦合模理论分析了表面等离子光波导组成的线性耦合 器的输出特性，发现金属带构成的耦合器中两波导可以实现周期性的 能量交换。针对金属带自身特点提出了一种能够明显减小其尺寸的直 接耦合器结构。直接耦合器的耦合长度随工作波长变化而变化，基于 此原理采用金属带构造了1330nm/1550nm 波分复用及解复用器。 关键词关键词 等离子光波导；线性耦合器。 西北民族大学学士学位论文 II ABSTRACT Surface plasmon optical waveguides provide a new mechanism of gu

3、iding waves. SPPs are electromagnetic waves that exist on the surface of metals. The lateral dimension of surface plasmon optical waveguides is subwavelength scale. Not like the convensional optical waveguides and photonic crystal waveguides, the dimension of these waveguides are not limited by diff

4、raction limit. They meet the need of the miniaturization and high-density integration of optical circuits and make it possible to integrate plasmonic, electronic, and conventional dielectric photonic devices on the same chip. In surface plasmon optical waveguides, the electric field focuses on the d

5、ielectric-metal interface with superior high energy density, which provides favorable conditions for using of nonlinear effects and possibility of constructing of subwavelength nonlinear devices. Mostimportantly, active nanophotonic elements based on nonlinear surface plasmon optics allowing control

6、 of light with light are imperative for implementation of all-optical integrated circuits. This article also analyzes output characteristics of directional couplers based-on surface plasmon optical waveguides using coupled-mode theory. It is found that two metal stripes can periodically exchange ene

7、rgy, while the periodical exchange of energy cannot be realized in the V-groove and the triangular wedge because the high concentration of energy; and 西北民族大学学士学位论文 III complete energy transfer happen only when two waveguide is very nearly. A new directional coupler is presented, which can reduce t h

8、e size of the coupler composed of metal stripes.Coupling length of the couplers changes with work wavelength, then 1330nm/1550nm wavelength division multiplexing/Demultiplexer based-on metal strip is constructed. Key words: Plasmon waveguide; linear coupler 西北民族大学学士学位论文 IV 目录目录 1、绪论.1 1.1 研究背景 1 1.1

9、.1 集成光学 .1 1.1.2 光电耦合器.2 1.2 研究现状 3 2、 表面等离子波基础5 2.1 表面等离子体 5 2.1.1 表面等离子体-科学历史 .5 2.1.2 表面等离子极化波的基本原理 .6 2.1.3 表面等离子光波导.9 2.1.4 研究方法 .9 3、表面等离子光波导组成的线性耦合器10 3.1 基本理论11 3.2 金属带构成的直接耦合器13 3.2.1 常规布局的直接耦合器 14 3.2.2 金属带构成的直接耦合器 20 4、 结论.23 参考文献.24 答谢.27 西北民族大学学士学位论文 1 1、绪论、绪论 1.1 研究背景研究背景 1.1.1 集成光学 集成

10、光学出现于 1969 年前后，在它的产生和发展过程中，贝 尔实验室的一批科学家起了重要作用，目前已从基础和开发研究 进入了工程应用阶段 。集成光路中现已制成的光学元件包括薄膜 微型激光器、薄膜透镜、棱镜、薄膜型光学波导 、耦合器、光开 关、光学调制器、滤波器、光学双稳态器件 、模-数转换器、存 储器和检测器等 。除纯粹集成光路外，现已出现和电子学元件的 集成。此外，在光学波导中已观察到了诸如二次谐波 、混频和 受激拉曼散射等非线性光学现象，这必将大大扩展集成光路的功 能。集成光学对光纤通信 、自动控制、光学信息处理 、光谱研究 以及光学计算机的研究和应用等具有重要意义 。集成光学是研究 媒质薄

11、膜中的光学现象，以及光学元器件集成化的一门学科 。它 是在激光技术发展过程中，由于光通信 、光学信息处理等的需要， 而逐步形成和发展起来的 。它要解决的实质问题，是获得具有不 同功能、不同集成度的集成光路，以实现光学信息处理系统的集 成化和微小型化。 集成光学的理论问题，主要是媒质波导理论， 它有助于人们深入了解波导中光学现象的物理本质，并用于光波 导、器件和光学回路的研究设计。人们常常把波导中光学现象 西北民族大学学士学位论文 2 (如传播、耦合、调制等等 )的研究，称为导波光学。 媒质波导理论已从不同角度建立起来。首先，是建立在麦克 斯韦方程组基础上的媒质波导电磁理论；其次，从射线光学角度

12、， 建立了锯齿波模型的波导理论。把波导中的光波看成是在薄膜的 上下两个界面来回反射的光线，而且走的是一条锯齿形路程。 从锯齿波模型出发，可以比较简单和直观地推导模方程，讨论媒 质波导理论的基本概念，处理棱镜、光栅耦合器、表面散射等许 多问题。另外还从量子力学角度，建立了势阱模型的波导理论。 描述光波在波导中运动的波动方程和描述电子在位阱中运动的薛 定谔方程有相同的形式，用 WKB 法可得到波动方程的近似解。 集成光学中许多重要现象及器件的分析，经常采用耦合模理论。 把由于波导结构不规则性和材料不均匀性等产生模式之间功率交 换（模式之间发生耦合）的实际波导系统，视为一种微扰波导系 统，假定它是由

13、互相发生耦合的若干孤立单元所组成。其电磁场 可按某种形式的规则波导单元的本征模展开，推导并求解耦合模 方程。在集成光学中，主要是利用耦合模方程来处理媒质波导中 导模之间、导模与辐射模之间的各种耦合问题，以及与这类耦合 有关的器件。 1.1.2 光电耦合器 光电耦合器也称为光电隔离器或光耦合器，有时简称光耦。这 是一种以光为耦合媒介，通过光信号的传递来实现输入与输出间电 隔离的器件，可在电路或系统之间传输电信号，同时确保这些电路 西北民族大学学士学位论文 3 或系统彼此间的电绝缘。近年来，随着半导体技术、光电子学的深 入发展光耦的结构设计、封装制作技术也不断创新，各种类型产品 相继问世，数千种型

14、号构成几百个品种系列，研发成为一个独立的 种类繁多、性能优良的半导体器件门类，广泛应用于计算机及其外 设接口、工控、电信、仪器仪表、数据总线、高速数字系统、数字 I O 口、模数转换、数据发送、单片机接口、电平转换、信号 及级间隔离、脉冲放大等范围，甚至在电源技术的线性隔离、电量 反馈、电流传感、电量变换等各个场合都有成功的应用，市场需求 量持继增长，发展极其迅速。 随着近几年光纤通信的迅速发展，光纤到家，光纤到路边的日 益临近，对耦合器的需求量与日俱增。耦合器是将光信号从一条光 纤中分至多条光纤中的器件，属于光无源器件，广泛应用在光传输 系统、有线电视、局域网中。以光孤子脉冲作为信息载体的全

15、光通 信系统已成为近年来的研究热点，光纤耦合器作为此类系统的关键 器件也引起高度重视。 1.2 研究现状研究现状 丹麦和法国的科学家在奥尔堡大学的 Sergey Bozhevolnyi 领导 下，研发出了一种新型的光波导，这种光波导可以将通讯波段的光 波“压缩”至衍射极限以下，因此光波可以通过芯片上的通道等小区 域而不会产生严重的损耗。克服这个问题的方法之一，是利用光波 去激发金属表面的电子使其产生类似波的集合行为。与光波不同的 西北民族大学学士学位论文 4 是，这些表面等离子不受衍射极限的限制。Sergey Bozhevolnyi 在 先前的工作中就已经证实，通过在金基板上刻画宽度小于光波长

16、的 狭窄沟槽，可以激发等离子体来导引光波。现在，这个丹麦和法国 联合研究小组有了更大的突破，发展出一种新型的表面等离子体激 元通道等离极化激元，即源于金属与绝缘介电质(例如：空气) 界面的电磁波。他们发现这些等离子激元可以用来引导以及操纵光 波，使其沿着金属薄膜上小于光波长的 V 型沟槽底部移动，而不会 有严重的损耗。这是因为表面等离子激元仍然紧密地束缚在分界面 上，因此可以将光波集中至小于波长的范围内。 通道等离极化激元可以用来传输波长约 1.5 微米的光波信号， 而且这种波长正好也属于目前电信通讯的波段。此外，等离子在金 属-空气接口可传播的长度约 1 mm，这样的距离已经足以连结芯片 上

17、的两个组件了。 Sergey Bozhevolnyi 表示，这项技术可以直接应 用于许多领域，例如干涉仪以、超紧密光学连接及波导-环共振腔等 ，并且由于通道等离极化激元被束缚于金属表面并沿着分界面传播 ，所以自然能将电子电路整合于系统内。 近年来，表面等离子极化（SPPs）已经在高度集成光路及纳米 光学领域中得到广泛关注。基于 SPPs 的各种纳米光子器件被誉为 当今最有希望的纳米全光集成回路的基础,成为目前国际上的一个研 究热点。表面等离子波的电磁场限制于金属-介质界面上，在垂直于 界面的方向上按指数形式衰减，穿透进金属的深度取决于金属的趋 西北民族大学学士学位论文 5 肤深度，约为 10n

18、m，比入射光波长小 2 个数量级。这一特点为亚 波长尺寸导波结构的实现提供了可能，可用其构建亚波长尺寸的光 子元件及回路。经典的波导如单界面结构（SI）、金属-介质-金属结 构(MIM)和介质-金属-介质结构（IMI），近年来又有更多的波导结 构被提出，如超薄的矩形金属带、V 型槽结构、矩形槽结构以及三 角金属楔等。表面等离子光波导的低损耗促进了基于长程表面等离 子波导的无源器件的实验研究，如单个直波导、弯波导、分路器、 干涉仪和直接耦合器等等。Alexandra Boltasseva 已经初步研究了矩 形金属条波导构成的直接耦合器的输出特性并用实验进行了验证。 2、 表面等离子波基础表面等离

19、子波基础 2.1 表面等离子体表面等离子体 2.1.1 表面等离子体-科学历史 1902 年，R. W. Wood 在光学实验中首次发现了表面等离激元 共振现象 。1941 年，U. J. Fano 等人根据金属和空气界面上表面电 磁波的激发解释了这一现象 。R. H. Ritchie 注意到，当高能电子通 过金属薄膜时，不仅在等离激元频率处有能量损失，在更低频率处 也有能量损失峰，并认为这与金属薄膜的界面有关 。1959 年，C. J. Powell 和 J. B. Swan 通过实验证实了 R. H. Ritchie 的理论 。1960 年，E. A. Stren 和 R. A. Farr

20、el 研究了此种模式产生共振的条件并首 次提出了表面等离激元（Surface Plasmon，SP）的概念 。在纳米 西北民族大学学士学位论文 6 技术成熟之后，表面等离子体受到了人们极大的关注，成为目前研 究的热点。它已经被应用于包括生物化学传感，光电子集成器件多 个领域。 2.1.2 表面等离子极化波的基本原理 表面等离子体（Surface Plasmons，SPs）是指在金属表面存在的 自由振动的电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏 密波。其产生的物理原理如下：如作图所示，在两种半无限大、各 向同性介质构成的界面，介质的介电常数是正的实数，金属的介电 常数是实部为负的复数。根

21、据 maxwell 方程，结合边界条件和材料 的特性，可以计算得出表面等离子体的场分布和色散特性。 麦克斯韦方程组 积分形式 (2.1) =( + ) (2.2) = 西北民族大学学士学位论文 7 (2.3) = 0 (2.4) = 微分形式 (2.5) = + (2.6) = (2.7) = 0 (2.8) = 再加上静止、均匀、线性和各向同性媒质的电磁场本构方程， 即： (2.9) ? = = = 这就构成了完整的麦克斯韦方程组。它是支配所有宏观电磁现 象的一组基本方程。 式（2.1）称为安培环路定律，式（2.2）称为法拉第电磁感应定 律，两式说明变动的电场可以激发磁场，同时变动的磁场也可

22、以激 发电场（感应电场）；式（2.3）和（2.4）表明磁场和电场本身所具 有的规律，即磁通连续性原理和变动的自由电荷可以激发电场的高 斯定律。 上式中各符号的意义： H磁场强度（A/m） 西北民族大学学士学位论文 8 B磁感应强度，磁通量密度（T） D电位移，电通量密度（C/） 2 E电场强度（V/m） 传导电流密度（A/） 2 电荷密度（C/） 3 介质的磁导率（H/m） 介质的介电常数（F/m） 介质的电导率（S/m） 一般来说，表面等离子体波的场分布具有以下特性： (1).其场分布在沿着界面方向是高度局域的，是一个消逝波， 且在金属中场分布比在介质中分布更集中，一般分布深度与波长 量级相

23、同。 (2).在平行于表面的方向，场是可以传播的，但是由于金属 的损耗存在，所以在传播的过程中会有衰减存在，传播距离有限。 (3).表面等离子体波的色散曲线处在光纤的右侧，在相同频 率的情况下，其波矢量比光波矢量要大。 2.1.3 表面等离子光波导 表面等离子光波导中传输光信号的是表面等离子波（SPPs）， 西北民族大学学士学位论文 9 不受衍射极限的限制，因为光波可以通过芯片上小于光波波长的区 域而不会有严重的损耗发生。所以，等离子光波导有望解决集成光 路的小型化问题。表面等离子波是在金属和介质的界面上传播的表 面电磁波，在垂直于界面的方向，其电磁场呈指数衰减。这种表面 波是由于电磁场与金属

24、的自由电子等离子体耦合而形成的。在近红 外频率范围，表面等离子波沿着嵌在均匀介质中的金属薄板表面可 以传播几个微米的距离。在过去，因为表面等离子波传播距离太短， 所以它的传播被认为是没有什么价值研究的。但由于纳米级制造技 术的飞速发展，所以表面等离子波得传播被重新拿来研究，制造自 身尺度小于工作波长及表面等离子波传输长度的器件已成为可能。 在这样的背景下，表面等离子波就有了用武之地。近年来，表面等 离子极化波已被广泛研究用于光子器件、显微镜、高效率太阳能电 池、数据高密度存储及生物化学传感等领域。 2.1.4 研究方法 目前用来研究表面等离子光波导的理论分析方法主要有以下几 三种： 1.等效折

25、射率法（Effective Index Method，EIM）。这种方法 已广泛用于各种光波导的设计与仿真分析，它是基于严格的矢量 maxwell 方程来分析的，用等效折射率可以将三维的光波导问题化 为二维平板波导问题，是分析光子晶体的有利工具。等效折射率法 已经被用于各种一维、二维等离子波导的分析，并取得了良好的效 果。 西北民族大学学士学位论文 10 2.有限元方法（Finite Element Method，FEM）。有限元法是在 变分原理基础上发展起来的，广泛用于求解拉普拉斯方程、泊松方 程以及波动方程所描述的物理问题，也是一种数值仿真方法，它将 复杂的问题近似为简单的问题，取近似解逼

26、近精确解。这种方法是 近似方法，但其计算精度随网格划分的细化而提高，能够解决很多 的问题，目前应用比较广泛，已经有很多的基于有限元法的商业软 件。本文的电磁场仿真利用基于有限元法的电磁场仿真软件COMSOL3.3 计算。 3.时域有限差分方法（Finite Difference method in Time Domain，FDTD）。FDTD 算法是直接对麦克斯韦方程组在时间和空间 域上作差分处理，从而解决电磁波在介质中传播问题的算法。该算 法将一阶偏微分方程用差分方程代替，求解差分方程组，从而得出 各网格单元的电磁场值。用该方法分析问题时需要要考虑研究对象 的结构参数、材料参数、计算精度、计

27、算复杂度及计算稳定性等多 方面的问题。其优点是能够直接模拟场的分布，而且当划分足够细 时其精度也比较高，是目前使用较多的数值模拟方法之一。 3、表面等离子光波导组成的线性耦合器、表面等离子光波导组成的线性耦合器 光电耦合器也称为光电隔离器或光耦合器,简称光耦。这是 一种以光为耦合媒介,通过光信号的传递来实现输入与输出间电 隔离的器件,可在电路或系统之间传输电信号,同时确保这些电路 西北民族大学学士学位论文 11 或系统彼此间的电绝缘。它属于一种电-光-电转换器件。在光频 波段，光波导之间的横向电磁场耦合不仅可以用于构造分路器、 波分复用器等多种光器件，同时也可能是有害的、必须避免的 干扰来源，

28、例如两相邻光波导之间的耦合串话问题。因此分析 计算光频波段耦合元件的基本理论，不仅对构成方向耦合器这 类重要的集成光路元件是必需的，同时也是分析光频波段干扰 问题所必需的。 本论文考虑的耦合器是四端口器件（两个输入端口和两个 输出端口），结构如图3.1 所示。 图3. 1 耦合器示意图 3.1 基本理论基本理论 耦合模方程广泛地应用于分析直接耦合器，考虑损耗时，分析两 光波导耦合的方程如下 (3-1) 212111 1 )(iii dz da (3-2) 121122 2 )(iii dz da 西北民族大学学士学位论文 12 其中，为波导j中的脉冲幅度， j=(1,2)为波导j 中模式)2

29、, 1 ( j jj i 的复传播常数，和为耦合系数，它们的表示式为 12 21 (3-3) dxdyEEnn 2 * 1 2 2 2 3 0 12 )( 4 (3-4) dxdyEEnn 1 * 2 2 1 2 3 0 21 )( 4 其中， 为周围介质的折射率， 和分别为波导1，2的折射率， 3 n1n2n (j=1,2)为波导j中的电场分布，因此波导j中的光功率为。Ej 2 jj P 对于对称耦合器，有， 21 ，方程3-1，2可以简化为 21 21 (3-5) 21 1 )(aiaii dz da (3-6) 12 2 )(aiaii dz da 假设 ，方程3-5，6可以变 zize

30、 eAa 11 zize eAa 22 为， 的方程 1 A 2 A (3-7)2 1 ikA dz dA (3-8)1 2 ikA dz dA 若在Z=0端只有波导1输入功率P0，则方程3-7，8的解为 (3-9) )cos( 01 zPA (3-10) )sin( 02 zPA 于是可以得到两波导中的功率 西北民族大学学士学位论文 13 (3-11) z ezPP 22 01 )(cos (3-12) z ezPP 22 02 )(sin 沿传输方向能量逐渐从波导1 转移到波导2，在的地方全 2 L c Z 部能量转移到波导2 中，但总的能量衰减了，这个长度叫做耦合 c L 长度，是分析耦

31、合器一个很重要的量。 3.2 金属带构成的直接耦合器金属带构成的直接耦合器 下图是两种耦合器横截面，如图 3.2 所示，图(a)为常规的耦合 器波导分布，图(b)是根据金属带本身结构特点提出的耦合器结构。 (a) 西北民族大学学士学位论文 14 （b） 图3.2 耦合器截面示意图: （a）常规耦合器 ；（b）金属带组成的耦合器 3.2.1 常规布局的直接耦合器 若选取工作波长为 = 0.633m，Ag带的尺寸为w =1m,t = 20nm，并且两Ag带按图3.2(a)所示布局，光能量从波导1的端口1输 入，当两Ag带距离分别为 D=0m、0.5m,、1m时，耦合器中波导 1，2 的功率分布如图

32、3.3 所示，从图中可以看出即使在边边距离为 0m 的情况，耦合器的长度也要达到30m，从而使耦合器中的能量 能够完全转移到波导2 中；当边边距离为0.5m时，耦合器的长度 要达到70m时耦合器的能量能从波导1完全传到波导2中；当边边距 离为1m时，此时耦合器的波导长度达到了190m左右，在表面等离 子光波导的有限传输距离上能量的完全转移只发生一次。 西北民族大学学士学位论文 15 (a) (b) (c) 图3. 3 耦合器中波导1，2 的功率分布( = 0.633m) (a)D = 0m；(b) D = 0.5m；(c) D =1m 西北民族大学学士学位论文 16 (b) 尺寸相同的金属带在

33、波长 =1m时耦合器中波导1，2 的功率 分布如图3.4 所示，从图中可以看出当波长增长时，当边边距离为 0m时，耦合长度为10m，从而使耦合器中的能量能够完全转移到 波导2 中；即使边边距离分别为0.5m、1m时，耦合长度也减小了 很多，相同结构的直接耦合器的耦合长度随之减小。当波长较长时， 场的集中度减小，两波导的场更多的叠加到一起，耦合增强。 (a) (b) 西北民族大学学士学位论文 17 图3. 4 耦合器中波导1，2 的功率分布（ =1m） (a) D = 0m；(b) D = 0.5m；(c) D =1m 如果波长进一步增长时，这时需要采用更宽的金属带以保证场 的集中度。本文采用w

34、 = 7.5.0m,t = 19.0nm的Ag带。下面分析在两 种波长 =1.31m和 =1.55m下尺寸为w = 7.5m,t = 19.0nm的Ag 带构成的直接耦合器工作特性。当 =1.55m 时， ， 计算得到归一化复传播常数为i mr 42.1034.105 , ,场分布如图3.5(a)所示。当 =1.31m时， 5 0 1037 . 6 625 . 1 i ，计算得到归一化复传播常数为 i mr 32 . 6 17.75 , 场分布如图3.5(b)所示。假设光能量从直接耦合 5 0 1053 . 7 619 . 1 i 器的端口1 输入，端口2 无输入，不同波导间距D 对应的耦合长

35、度 如表3.1所示。由表可以看到，当D=0.4m时， mL mc 3 . 1142 31 . 1 选取直接耦合器长度为114 m，可以得到两种不同 4 . 1133 55 . 1 mc L 波长下的直接耦合器中两波导的功率分布如图3.5(a)、(b)所示。如果 从端口1输入波长为 =1.31m和 =1.55m的两种光信号，经过直 西北民族大学学士学位论文 18 接耦合器后，波长为 =1.31m的光信号从端口3输出，波长为 =1.55m的光信号从端口4 输出，如图3.5(c)所示，这就是光波分解 复用器，由直接耦合器的对称性可得，如果两路波长为 =1.31m 和 =1.55m的光信号分别从端口1

36、 和端口2 进入长度为114m的 直接耦合器，经过直接耦合器后，两路光信号都从 端口1 中输出， 实现这个功能的就是光波分复用器了。 表3.1 不同波导间距D 对应的耦合长度 D(m) =1.31m =1.55m 2541.6234.1 1.8 384.1179.5 1.6 275.6136.2 1.4 204.8107.5 1.2 152.483.8 1 116.268.8 0.8 91.755.6 0.6 72.445.5 0.4 56.738.3 0.2 46.532.3 0 35.827.3 (a) 西北民族大学学士学位论文 19 (b) (c) (d) 图3. 5 (a) =1.31

37、m时长度为114m的直接耦合器的输出特性； (b) =1.55m时长度为114m的直接耦合器的输出特性； (c) 波分解复用器示意图；(d) 波分复用器示意图 西北民族大学学士学位论文 20 3.2.2 金属带构成的直接耦合器 由常规耦合器的分析可知该耦合器的长度为 114 m，宽度也比 较大，耦合器长度较大的原因是直接耦合器的两波导电场交叠比较 小，从而需要很长的耦合距离。研究金属带的电场可以看出金属带 电场主要集中在带子的上下两侧，如果采用图3.2(b)所示的结构则可 以充分利用这个特点，减小直接耦合器的横向及纵向尺寸。下面对 这种耦合器进行分析。 表3.2 不同波导间距D 对应的耦合长度

38、 D(m) =1.31m =1.55m 1 9.269489.95391 0.9 8.147448.89688 0.8 7.283368.03952 0.7 6.586767.36317 0.6 6.131546.83162 0.5 5.592356.39361 0.4 5.225476.25745 0.3 4.982915.90401 0.2 4.794355.66478 0.1 4.677965.52642 0 4.64995.47978 同样假设光能量从直接耦合器的端口1 输入，端口2 无输入， 不同波导间距D 对应的耦合长度如表3.2 所示。由表可以看到， 当 D=0.1 m ， 。取

39、直接mLmL mcmc 06.28658.275 31 . 1 55 . 1 耦合器长度为28m，可以得到两种不同波长下的直接耦合器中两波 导的功率分布如图3.6(a)、(b)所示。 西北民族大学学士学位论文 21 (a) (b) (c) 西北民族大学学士学位论文 22 (d) 图3. 6 (a) =1.31m时长度为28m的直接耦合器的输出特性； (b) =1.55m时长度为28m的直接耦合器的输出特性； (c) 波分解复用器示意图,中间耦合段的横截面如图3.2(b)所示； (d) 波分复用器示意图 如果从端口1 输入波长为 =1.31m和 =1.55m的两种光信 号，经过直接耦合器后，波长

40、为 =1.31m的光信号从端口3输出， 波长为 =1.55m的光信号从端口4输出，如图3.6(c)所示，这就是 光波分解复用器，由直接耦合器的对称性可得，如果两路波长为 =1.31m和 =1.55m的光信号分别从端口1 和端口2 进入长度为28 m的直接耦合器，经过直接耦合器后，两路光信号都从端口1 中输 出，实现这个功能的就是光波分复用器了。 西北民族大学学士学位论文 23 结结 论论 本论文运用耦合模理论分析了金属带表面等离子光波导组成的 耦合器的输出特性。结果表明在表面等离子波有限的传输距离上， 表面等离子光波导构成的耦合器都可以发生能量交换。结论为非线 性全关开关提供了可能。此外，本章

41、还提出了一种新型结构的耦合 器，虽然需要重新考虑输入输出端的布局，但可以大大减小耦合器 尺寸。本论文还运用金属带等离子波导构造了1.33/1.55 m波分复 用/解复 用器该耦合器。 西北民族大学学士学位论文 24 参考文献参考文献 1汪国平，表面等离子体激元纳米集成光子器件J，物理， 2006，35(6):502-507. 2邓凡平.ANSYS 10.0 有限元分析自学手册M. 第一版.北京：人 民邮电出版社，2008. 3张斗国，王沛，焦小瑾，唐麟，鲁拥华，明海，表面等离子体 亚波长光学前沿进展J，物理，2005, 34(7):508-512. 4H. Raether, Surface P

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