亚毫米尺度双面金属包覆波导的直接耦合方法及其应用研究

摘要

自导波光学问世以来,由于它在未来信息社会巨大的应用潜力,一直受到学术界和技术界的高度重视.经过三十余年的发展,今天已初步成为一门体系完整的学科.以导波光学为理论基础的光纤技术、平面型光波导技术、集成光电回路及集成光路技术获得了迅速的发展.半导体激光器、电光波导调制器和多路光电开关等一大批实用化光电元器件正在通信系统中越来越多地发挥着重要作用. 本文在一般介质平板波导的基础上,分析了双面金属包覆波导的特性.双面金属包覆波导结构由导波层、上下金属包覆层组成,上层金属比较薄,作为波导层覆盖层,同时也作为耦合层.双面金属包覆波导的导模有效折射率范围比一般介质波导大得多,没有比覆盖层折射率大的限制,可以介于零和波导层折射率之间.根据亚毫米双面金属包覆波导的性质,提出了一种全新的自由空间直接耦合方法.与其他的波导耦合技术,如棱镜耦合、光栅耦合等相比,不仅结构简单,而且有一些优良的特性.本文从理论上推导、实验上验证了亚毫米尺度双面金属包覆波导中的超高阶导模具有偏振无关性,并对导波层的折射率、厚度以及入射光波长非常灵敏的特性,为下一步的光电子器件研究提供了理论基础. 光学滤波器是光学应用的一个关键性器件,在激光光通信系统中,光学测量等领域具有广泛的应用.根据高阶导模对入射波长敏感的特性,本文提出了基于双面金属包覆波导的光学窄带滤波器应用.本文介绍了基于亚毫米尺度双面金属包覆波导的窄带滤波器的工作原理,并进行了实验验证,对器件的性能进行了测试和分析.初步实验表明:滤波器的谱半宽达0.08nm,中心波长可调,可调谐范围大,并具有偏振无关性,预计在波长锁定,激光测试领域具有应用潜力. 根据超高阶导模对导波层折射率敏感的特性,本文提出了基于双面金属包覆波导结构的反射型电光调制器,该器件的结构简单,仅由上下两层金属和导波层三部分组成.金属层既可作为包覆层又可作为电极.制备工艺非常简单,加工要求也不高,因此成本相当低廉.与波导传输型电光调制器相比,本方法制作的反射型电光调制器的插入损耗很小.由于器件基于准直光反射原理工作,在无线光通信、大孔径激光调制方面将会得到应用. 和棱镜耦合一样,双面金属包覆波导直接耦合还可用于薄膜参数测量领域.波导中导模的传播常数与导波层的厚度以及折射率密切相关,因此可以利用自由空间直接耦合技术测量波导中导模的传播常数,来同时求得导波层薄膜的折射率及厚度.由于双面金属包覆波导的特殊性质,还可以测量高折射率的材料,相比棱镜耦合系统大大拓宽了测量范围.由于采用金属作为包覆层,可以很方便的在导波层两侧施加电压,因此也可方便的测量材料的电光系数或者压电系数.这种方法会在有机材料、聚合物和光学波导器件等领域中有广泛的应用价值.

目录

文摘

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第一章综述

1.1引言

1.2直接耦合方法

1.3超高阶导模

1.4光学滤波器

1.5波长锁定

1.6拉曼光谱

1.7电光调制器

1.8薄膜测量

1.9本文的研究内容及创新之处

参考文献

第二章双面金属包覆波导

2.1介质平板波导

2.1.1平板光波导的线光学模型

2.1.2平板波导的电磁理论

2.2金属薄膜

2.2.1金属的复介电系数

2.2.2金属薄膜的性质

2.3双面金属包覆波导

2.3.1双面金属包覆波导

2.3.2双面金属包覆波导的损耗

2.4本章小结

参考文献

第三章双面金属包覆波导直接耦合方法

3.1介质波导的耦合方式

3.1.1棱镜耦合

3.1.2光栅耦合

3.1.3端面耦合

3.1.4楔形耦合

3.2双面金属包覆波导的自由空间直接方法

3.3本章小结

参考文献

第四章双面金属包覆波导直接耦合方法模拟与实验

4.1衰减全反射模拟

4.1.1软件算法

4.1.2软件设计

4.1.3软件功能

4.2双面金属包覆波导直接耦合方法的模拟

4.3陪片法测量金属膜的介电常数和厚度

4.4双面金属包覆波导直接耦合实验

4.4.1双面金属包覆波导的制备

4.4.2直接耦合实验

4.5双面金属包覆波导中的超高阶模激发

4.6双面金属包覆波导超高阶导模的特性

4.6.1偏振无关

4.6.2对光源波长敏感

4.6.3对波导厚度、折射率敏感

4.7本章小结

参考文献

第五章双面金属包覆波导窄带滤波器

5.1光学滤波器简介

5.1.1棱镜型光滤波器

5.1.2衍射光栅型光滤波器

5.1.3干涉光滤波器

5.1.4原子共振滤波器

5.1.5法拉第反常色散滤波器

5.2基于双面金属包覆波导的滤波器

5.3双面金属包覆波导滤波器的实验测试。

5.3.1实验装置

5.3.2滤波实验测试

5.3.3偏振无关实验

5.4器件性能分析

5.4.1中心波长

5.4.2滤波光谱曲线

5.4.3调谐范围

5.5双面金属包覆波导滤波器的典型应用

5.5.1波长锁定

5.5.2激光拉曼光谱滤波

5.6本章小结

参考文献

第六章基于双面金属包覆波导结构的电光调制器

6.1光调制器的一般概念

6.2现有光调制器的种类

6.2.1电吸收调制器

6.2.2电光调制器

6.3反射型电光调制器的研究

6.4基于双面金属包覆波导结构的电光调制器

6.4.1工作原理

6.4.2器件性能分析

6.4.3制作工艺

6.4.4器件参数测试

6.5反射型电光调制器的应用前景

6.5.1器件优越性

6.5.2器件的不足

6.5.3潜在应用

6.6本章小结

参考文献

第七章基于双面金属包覆波导的薄膜参数测量

7.1光波导薄膜厚度和折射率的测量

7.1.1几种常见的薄膜参数测量方法

7.1.2双面金属包覆波导薄膜参数测量原理

7.1.3基于双面金属包覆波导测量的优点

7.2材料电光系数测量

7.2.1铌酸锂晶体的线性电光效应

7.2.2几种常用的测量材料电光系数的方法

7.2.3基于双面金属包覆波导的电光系数测量

7.3本章小结

参考文献

第八章双面金属包覆波导总结及展望

致谢

攻读博士学位期间取得的科研成果