光波导波长传感器和古斯-汉欣效应的研究

摘要

双面金属包覆波导结构是一种特殊类型的光波导结构。与传统的介质波导结构相比，它对电磁场的约束能力更强，而且导模的有效折射率范围更大，可从零开始，这样，不用借助于棱镜或光栅等耦合器件，从自由空间就可以将电磁场能量耦合进波导。由于金属作为波导覆盖层将对传输光能量产生吸收，导致波导损耗较大，所以将双面金属包覆波导用作反射型器件来克服传输型结构损耗过大的缺点。双面金属包覆波导结构在传感器，滤波器，电光调制器等领域获得了广泛的应用。本文在前人工作的基础上，重点探讨在双面金属包覆波导衰减全反射峰附近增强的古斯汉欣效应。同时，我们也分析了双面金属包覆波导超高阶导模的色散性质并提出一种实现波长传感和稳定的新方法。 本文介绍了电磁场在激发表面等离子波结构和介质波导结构中的传输机理，推导了它们的反射率公式和本征方程。由于入射场和波导内本征场之间要实现模式耦合，所以常用棱镜实现传播常数的匹配。而双面金属包覆波导的导模传播常数的范围比其他波导结构大的多，这样就很容易从自由空间将场的能量耦合进波导，这种特点对器件的小型化十分有利。本文详细介绍了双面金属包覆波导中的超高阶导模的奇特性质和应用。这种超高阶导模具有偏振无关，衰减全反射谱分立，对导波层厚度、折射率和波长的变化灵敏以及慢波特性，在窄带滤波器，梳状滤波器，溶液浓度传感器，位移和加速度传感器，电光调制器等领域获得了广泛的应用。 在本文中，我们详细研究了双面金属包覆波导的损耗特性，包括辐射损耗和本征损耗，基于一阶微扰方法推导出了它们的定量公式。辐射损耗来源于耦合层的厚度有限，电磁场可以通过消逝场和外界交换能量，它由耦合层金属膜的厚度决定。本征损耗来源于金属包覆层的吸收性质，它由金属介电系数的虚部决定。在此基础上，通过静态相位法，采用弱耦合近似，我们推导出当传播常数匹配时，波长变化下的双面金属包覆波导反射光的侧向位移的简洁公式。从这个公式可以看出，侧向位移的符号取决于共振模的本征损耗与辐射损耗。当本征损耗大于辐射损耗时，侧向位移取负值，反之为正，并且本征损耗与辐射损耗之差越小，古斯汉欣位移的绝对值就越大。我们通过高斯光束法验证了这个结论，并理论得到双面金属包覆波导反射光的侧向位移可增强到几百微米。 本文提出了一种测量双面金属包覆波导侧向位移的实验方法。这种方法基于可调谐激光器和一维位置灵敏探测器。可调谐激光器所发出的激光经过分束镜和小孔，入射在待测光波导的上层金属膜上。波导样品放置在倍角转台上。由计算机编程控制的倍角转台可以进行角度扫描。从波导反射的光首先被光电探测器接收，并转变为电压信号输入到计算机数据采集卡中。选择入射角度，使得在相邻的吸收峰之间反射率最大。由于偏离共振条件，在这个角度侧向位移并不明显，反射光斑的位置可被视为基准。然后将光电探测器从光路中移开，同时不改变入射光角，让反射光直接垂直入射到位置灵敏探测器的中心。通过调节激光器的温度改变入射光的波长，位置灵敏探测器两侧的信号经放大得到的输出电压输入到计算机，对相关数据作计算处理就可获得所需要的侧向位移值。通过实验，我们发现了最高可达480μm的正的侧向位移和180μm的负的侧向位移。实验结果和理论值符合的很好。接着，基于这种效应，我们提出了一种新的测量溶液浓度的方法。这种方法的分辨率理论上可达10-9数量级，比采用表面等离子共振结构的相关方法的分辨率高一到两个数量级。 本文还提出了一种基于双面金属包覆波导超高阶导模测量波长微小变化的传感器，并在高斯光束下分析和讨论了它的灵敏度，计算了波导的最优设计参数。这种传感器可以获得很窄的反射吸收峰，其灵敏度显著高于传统的波长探针，实验中测得灵敏度达5×1010m-1。这种传感器还具有制作工艺简单，与偏振无关等优点，可广泛应用于波长锁定和波长监测等领域。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1 古斯汉欣位移的理论和实验研究

1.2波长锁定和波长漂移监测技术

1.3本文的研究目的、内容及创新之处

1.4参考文献

第二章亚毫米尺度双面金属包覆波导

2.1表面等离子波激励结构

2.2介质平板波导和棱镜耦合

2.3双面金属包覆波导结构

2.4双面金属包覆波导的应用

2.5本章小节

2.6参考文献

第三章双面金属包覆波导的反射系数和损耗特性

3.1双面金属包覆波导反射系数

3.2双面金属包覆波导的本征损耗和辐射损耗的微扰计算

3.3本章小结

3.4参考文献

第四章双面金属包覆波导古斯汉欣位移的理论计算

4.1 静态相位法

4.2考虑了激光发散角的高斯光束的古斯汉欣位移

4.3本章小节

4.4参考文献

第五章双面金属包覆波导古斯汉欣位移的测量

5.1古斯汉欣位移的实验研究

5.2基于位置灵敏探测器的古斯汉欣位移测试系统

5.3基于位置灵敏探测器的波长扫描古斯汉欣位移的实验

5.4实验测试结果和数据分析

5.5古斯汉欣位移在传感方面的应用

5.6本章小节

5.7参考文献

第六章基于超高阶导模的波长传感技术

6.1 波长传感和漂移监测的实现技术

6.2双面金属包覆波导的波长传感灵敏度表达式

6.3激光发散角对灵敏度的影响

6.4验证波长灵敏度的实验

6.5基于双面金属包覆波导的波长锁定方案

6.6本章小节

6.7参考文献

第七章总结及展望

7.1论文工作总结

7.2未来工作展望

致谢

攻读博士学位期间取得的科研成果