亚波长金属-介质-金属波导结构的传输特性与密集信道色散补偿研究

Nowadays, metal-insulator-metal (MIM) waveguides, which play an importance role in the nano-integrated photonic circuits and the optical information processing area, have attracted considerable interest. The research on the amplitude-frequency responses of MIM waveguides is in early stages, while the phase-frequency responses study is much less. Considering the multi-function miniaturization for optical devices and the dispersion problem for high-speed optical communication system, this project mainly focuses on the design of novel MIM structure and its amplitude/phase-frequency responses. Firstly, we propose and design novel MIM structures, where surface plasmon polariton (SPP) propagation will follow the unidirectional-circulation or the intersection rule. This study may be helpful to the SPP manipulation in the complicated MIM structures. Secondly, we design comb-like spectrum in view of the demand of dense wavelength division multiplexing (DWDM) system. The channel spacing, bandwidth, and sidelobe suppression ratio are the performance evaluation parameters for the proposed MIM devices. Furthermore, we study the group delay of the channels based on the refractive index modulation method. Dispersion or dispersion slope compensations for the dense channels are achieved, which can effective solve the dispersion problem in the DWDM system and satisfy the development of integrated photonics circuits.

目前，亚波长金属-介质-金属(MIM)波导是纳米集成光回路的有效解决方案之一，同时在光信号处理领域扮演着重要角色，因此引起了世界范围的广泛关注。对于MIM波导的幅频响应研究处于起步的阶段，而其相频响应的研究更为匮乏，因此针对光子器件多功能小型化的发展需求与高速光通信系统的色散问题，本项目拟从MIM微纳结构设计与其幅相频率响应展开研究：首先提出了表面等离子体激元(SPP)在MIM波导回路中单向环形传输与交叉传输的研究方案，有效地应对多通道MIM回路SPP传输的调控问题；进一步基于密集波分复用(DWDM)系统的需求，以信道间隔、带宽与旁瓣抑制比等作为评价指标，提出亚波长MIM的超窄带梳状光滤波器设计方案，并从折射率调制角度出发，研究信道带宽内的时延响应，达到密集信道色散/色散斜率补偿目的，有效地解决DWDM系统的色散问题，为纳米集成全光回路的发展提供支撑。

当前亚波长金属-介质-金属(MIM)波导是纳米全光集成光回路的有效解决方案之一，同时在全光通信与光信号处理领域扮演着重要角色，因此引起了世界范围的广泛关注。对于MIM波导的幅频响应研究处于起步的阶段，而其相频响应的研究更为匮乏，为了满足光子器件多功能小型化的发展需求与解决高速光通信系统的色散问题，本项目针对纳米集成光子学以及高速光纤传输中所涉及的科学问题进行理论建模分析，以及仿真测试。重点研究SPP在新型MIM波导结构的传输特性，分析与设计滤波、分束、色散补偿等光子器件。.本项目主要从表面等离激元(SPP)的激发振荡原理出发，研究单一MIM波导宽度、长度、介质材料等参数对SPP在结构中的分布以及传输特性的作用机制，获得各参数影响幅频响应的精确物理模型。首先通过设计双环形谐振腔、环形谐振腔与凹槽结合、矩形谐振腔与凹槽结合等多种侧耦合与末端耦合的复合MIM波导结构，研究了SPP的相位特性与共振模式。通过FP共振、以及明暗共振模式干涉等效应，实现了具有对称洛伦兹线型光谱以及非对称线型的Fano共振光谱。从幅频的角度看，由于该类型的结构具有多通道的禁带与通带，因此可以在光滤波与传感领域有广泛的应用；另外从相频特性衡量，研究了透射谱与反射谱带宽范围内的相位时延，结果表明在Fano共振与电磁诱导透明现象的透射峰或禁带中有正负色散效应，因此研究成果也可以用于色散补偿领域与快慢光通信领域。.综上，本项目创新性主要体现在提出了新型的亚波长复合MIM波导结构，实现了多种光信号处理功能，推动了纳米全光集成回路与全光通信技术的发展。