长程表面等离子波导热光开关器件研究

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1、分类号：TN256单位代码：10183研究生学号：2013514019密级：公开吉林大学硕士学位论文（专业学位）长程表面等离子波导热光开关器件研究StudyofLong-RangeSurfacePlasmonPolaritonWaveguideThermo-opticalSwitchDevices作者姓名：刘通类别：工程硕士领域（方向）：集成电路工程指导教师：张大明教授培养单位：电子科学与工程学院2016年6月—————————————————————长程表面等离子波导热光开关器件研究————————

2、—————————————StudyofLong-RangeSurfacePlasmonPolaritonWaveguideThermo-opticalSwitchDevices作者姓名：刘通领域（方向）：集成电路工程指导教师：张大明教授类别：工程硕士答辩日期：2016年5月30日未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）

3、。否则，应承担侵权的法律责任。吉林大学硕±学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究王作所取得的成果。除文中已经注明引用的内■容外，本论文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中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：＾曰期年（月曰摘要摘要表面等离激元（SurfacePlasmonPolariton,SPP）是由于光波和金属表面

4、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（Long-RangeSur

5、facePlasmonPolariton,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1550nm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

6、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(MMA-GMA）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18mW时，消光比为20dB，开关的上升和下降时间分别为2.5ms和3.4ms。（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；

7、使用COMSOL4.4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I摘要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3dB，当驱动功率为13mW时，热光开关器件具有17dB的消光比，开关上升和下降时间分别为720μs和940μs。关键词：光波导，长程表

8、面等离子，热光开关，聚合物IIAbstractAbstractSurfaceplasmonpolaritons(SPPs)aretransversemagnetic(TM)wavegeneratedbylightwavescoupledtooscillationsoffreeelectronsonthemetalsurface,whichcanpropagatealongthemetal-dielectricinterface,itdecaysexpon