基于远程抄表通信技术的新型波导设计

罗 毅

(贵阳学院 机械工程学院, 贵州 贵阳 550005)

基于远程抄表通信技术的新型波导设计

罗 毅

(贵阳学院 机械工程学院, 贵州 贵阳 550005)

为了解决表面等离子器件尺寸过大、不能通用集成的问题,采用对称梯形、金属-介质-金属结构,设计了一种新型的能够光电集成的硅基波导。设计波导的芯层面积越大局域化强度更高,梯形波导顶角145°时局域因子能够达到96.8%；内部芯层越宽电场局域化程度越高,传输距离越长；当芯宽50 nm时,梯形波导间距大于900 nm能提高耦合效率、降低干扰的影响。

硅基波导； 波导设计； 光电集成； 表面等离子

光子作为信息的载体,具有许多电子无法比拟的优势；然而相比于电子技术,目前光子器件还未曾见到如晶体管类似的通用可集成单元[1-2]。同时,在光电转换、光互联等领域还有很多未知的问题亟待解决,光子器件的研究依然任重而道远。不管是经典光波导还是光纤光子晶体器件,都无法解决衍射极限问题而导致制作的器件会远大于光波长,这就根本上限制了大规模集成光器件的实现[3-5]。经过多年的反复论证,表面等离子(surface plasmon,SP)器件被认为是突破衍射极限、实现纳米量级操纵光能量合理选择方向。SP器件能够在特定的结构中实现光场增强,但是欧姆效应导致的剧烈损耗问题却成了其发展的最大阻碍。近年来较为热门的石墨烯SP波导器件似乎能够解决这一科学难点,但是当前的电子器件依然采用的硅基作为基底,如果能够研制出硅基的通用性SP器件,就应该能够实现大规模的光电集成问题[6-8]。基于上述考虑,本文设计了新型的能够实现光电集成的硅基SP波导。

1 模型设计和色散分析

图1为本文设计的硅基波导模型,采用了对称梯形、金属-介质-金属(MIM)结构,其中中间的介质为折射率较高的介质,两边则采用相对折射率更低的介质,这里定义对称梯形的金属顶角为θ,中间高折射率介质厚度是w、宽度是d。

图1 波导模型

一个可集成的SP波导器件,其尺寸大小应该小于或与趋肤深度l相近,即存在:

(1)

式中ε(ω)为金属介电函数,ω为角频率，εd为介质介电常数,c为光速。

对于一价金属如银、金等在整个可见光区l≈25 nm。考虑SP波导由一频率ω的外加电势φ0(r)激发,φ0(r)也是拉普拉斯方程的解,则有

(2)

(3)

式中，φ1(r)是局域化场的电势,r是电荷至某的矢径。求解方程会有:

(4)

(5)

式中S(ω)称为伯格曼谱参数。

引入本征模式和本征函数φn(r)(对应本征值Sn),φn(r)即以下方程的一组解:

(6)

上面物理模型能够描述SP波导。依据Maxwell方程及边界条件,对设计的硅基波导,这里只考虑TM0模式,此时对设计的梯形波导存在如下色散关系:

(7)

如果芯层介质宽度不断减小,趋近于0时,就存在以下关系:tanh(kdd/2)≈kdd/2,此时色散关系变换为

(8)

2 特性分析

2.1 场分布

2.2 参数对传输的影响分析

图3和图4分别给出了有效折射率Re(neff)和传播长度Lprop随芯层宽度d的变化关系。由图可知:随芯层宽度的增加有效折射率表现为指数衰减情况,而传播长度则表现为增加的趋势,宽度不变时金的传播长度明显大于铝,即可以认为金更容易补偿传播损耗,有利于器件的集成。

电子器件集成中耦合长度与功率转换是必须考虑的关键因素。图5分析了设计的耦合长度、最大转换功率与波导间距s的关系曲线。从图中可以看到,随着梯形波导间距的增加,最大转换功率Pmax下降,耦合长度明显增加。我们知道串扰e2Pmax(Pmax为最大功率)在波导传输过程应该降到10-2以下,这样最大转换转换功率需要在0.001 35dB以下,此时设计的波导间距s需要大于900 nm才能提高耦合效率、降低干扰的影响。

图2 Ex和Ey电场分布

图3 有效折射率Re(neff)随芯层宽度d的变化关系曲线

图4 传播长度Lprop随芯层宽度d的变化关系曲线

图5 d=50 nm时最大转换功率(左上曲线)、耦合长度(左下曲线)与波导间距s的变化关系

3 结语

本文设计了可光电集成的新型硅基波导,分析了场分布与设计的结构模型参数的关系,设计的硅基波导具有较强的局域化特性。计算了有效折射率、传播长度、最大功率转换、耦合长度与器件参数的关系,为实现光电集成提供了参数参考。

References)

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[2] 王嘉源,肖金标,孙小菡,等.硅基槽波导级联多模干涉耦合器型偏振分束器[J].红外与毫米波学报,2015,34(5):583-587,592.

[3] 于怀勇,张春熹,冯丽爽,等.谐振式硅基集成光学陀螺的偏振噪声建模与分析[J].红外与激光工程,2012,41(5):1287-1293.

[4] 赵丽美,关建飞.硅基结构混合等离子激元波导模式特性的数值研究[J].红外与激光工程,2015,44(4):1329-1334.

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[8] 何静,周伟林.硅基纳米波导中皮秒脉冲整形数值模拟[J].计算机时代,2016,32(3):4-7.

Design of new waveguide based on communication technology of remote meter reading

Luo Yi

(School of Mechanical Engineering, Guiyang University, Guiyang 550005,China)

In order to solve the problem that the surface plasma device size is too large to be universally integrated, a new kind of optoelectronic integration silicon-based waveguide is designed by using symmetrical trapezoid and metal-medium-metal structure. The larger the core layer area of the designed waveguide is, the higher the localization strength is. When the trapezoidal waveguide angle reaches 145 °, the local factor can reach 96.8%. The wider the internal core layer is, the higher the degree of the electric field localization is, and the longer the transmission distance is. When the core is 50 nm wide and the trapezoidal waveguide spacing is larger than 900nm, it can improve the coupling efficiency and reduce the effect of interference.

silicon-based waveguide; waveguide design; photoelectric integration; surface plasma

10.16791/j.cnki.sjg.2017.03.014

2016-09-07

2014年贵州省科学技术联合基金项目“基于DPSK低压电力线传输的远程抄表系统的应用与研究”(黔科合LH字[2014]7200号)

罗毅(1980—),男(彝族),贵州贵阳,硕士,讲师,研究方向为电子信息工程和信号处理.

TP211

A

1002-4956(2017)3-0052-03