利用表面等离子波确定渐变光波导的折射率分布

摘要

渐变折射率光波导是光通信和集成光电子学领域中的关键元件之一。目前，已有多种成熟的工业技术，特别是扩散、离子交换和离子注入等技术，可以制备低损耗的渐变折射率光波导。在光放大器、激光器、通信器件、传感器、分束器及其他器件中，渐变型光波导已获得了愈来愈广泛的应用。另外，光波导的模式特征和传输特性均由其折射率分布所确定，并且准确确定光波导的折射率分布也对其制备工艺有着重要的指导意义。因此，准确确定渐变光波导的折射率分布就成为集成光学中一项非常重要的课题。现今，已有多种方法用于解决这一问题，例如：椭偏仪法、直接测量法、近场分析法、干涉法及逆WKB法等。其中逆WKB方法具有明确的物理意义和简洁的计算形式，所以该方法和其改进的形式得到了非常广泛的应用。但因WKB方法是一种近似方法，并带有其固有的缺陷，所以以它为基础发展的逆WKB方法也必然会继承这些缺点。对于多模、慢变型光波导，利用逆WKB方法可得到比较准确的结果，但对于拟合少模和快变型光波导的折射率分布时，该方法却无法给出令人满意的结果。 本学位论文提出了一种逆分析转移矩阵(逆ATM)方法来确定渐变型光波导的折射率分布。该方法是基于精确的分析转移矩阵(ATM)方法而发展得到的，所以克服了逆WKB方法的固有缺陷。ATM方法一种精确的分析方法，对于任意折射率分布的光波导该方法都可以给出精确的本征值和场分布。数值结果表明，利用逆ATM方法可得到更为准确的结果。 众说周知，在拟合折射率分布的计算过程中，光波导的表面折射率是至关重要的，它将直接影响整个折射率的分布。但在实际的测量中该参数却无法利用传统的M-line法进行直接测量。在逆WKB和其改进的形式中，表面折射率只是通过一些外延的数学方法来确定，并且不同的数学方法会导致不同的计算结果，从而在拟合折射率分布的计算过程中也就引入多种不确定性。在本论文中，我们提出了利用表面等离子波(SPR)的特性来确定渐变型光波导的近表面折射率。计算结果表明，近表面折射率距离波导表面通常只有0.2-0.3个波长，而基模有效折射率却距离表面有几个波长之远。因此，利用该方法确定的波导表面折射率比其他数学方法得到的结果更为合理和准确。以此为基础，我们分别改进了逆WKB和逆ATM方法。实验和数值结果表明，改进的逆ATM方法比改进的逆WKB更能准确地构建多模平板波导的折射率分布。 一般而言，在介质包覆光波导中，TE和TM同阶模式的有效折射率的差别非常小，大约是在1×10-4量级。因此，在实际计算过程中，同时利用TE和TM模式来确定少模光波导的折射率分布并没有起到有效的作用。但在非对称金属覆盖光波导中，同阶TE和TM模式的有效折射率却具有明显差异，约为1×10-3。在本论文中，我们提出在光波导表面制备一层金属薄膜，随后同时利用TE和TM两种模式及表面等离子波，准确地构建了少模光波导的折射率分布。 另外，在BK7光学玻璃上制备平板光波导的离子交换过程中，我们还利用改进的逆ATM方法研究了熔盐比例、交换温度、交换时间与光波导折射率分布之间的关系。实验中，我们发现在熔盐比例较低、交换时间较长的条件下，制备的渐变型光波导的折射率分布为非单调递减型。 本学位论文的创新点：(1)利用SPR的特性，在实验上准确确定了渐变光波导的近表面折射率，克服了以往利用外延数学方法的缺陷。 (2)利用SPR技术，对传统的逆WKB和逆ATM进行了改进，构建了更为合理的多模平板光波导的折射率分布。 (3)在金属覆盖光波导情况下，同时利用TE和TM两种导模及SPR模式准确拟合了少模光波导的折射率分布。 (4)利用实验方法验证，在离子浓度较低和交换时间较长的条件下制备的渐变型光波导具有非单调递减型折射率分布。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：上海交通大学学位论文答辨决议书

上海交通大学学位论文原创性声明及上海交通大学学位论文版权使用授权书

第一章综述

第二章介质光波导的基础理论

第三章渐变折射率光波导

第四章确定渐变光波导折射率分布

第五章近表面折射率的确定

第六章渐变光波导的制备和折射率分布的测量

§6.1引言

§6.2改进逆WKB与逆ATM两种方法

§6.3渐变光波导的制备和实验结果

§6.4确定少模光波导的折射率分布

§6.5实验参数对光波导折射率分布的影响

§6.6模拟与实测ATR谱线

§6.7本章小结

§6.8参考文献

第七章总结与展望

致谢

攻读博士学位期间的研究成果和发表文章