多层金属介质周期性分布的波导结构的光学特性

摘要

在该论文中，我们首先回顾了整个集成光学的发展情况。其中，重点介绍了有关金属介质薄膜在以往集成光学领域的应用。由于金属的非线性效应在一维光子晶体中得到加强，同时零模波导等领域也取得了相应的突破，在第二章中，我们重点分析了金属介质膜结构在这两个前沿方向的应用价值。在第三章中，我们简要讨论了导波光学中有关多层薄膜结构和有损耗介质波导的基础理论和基本分析方法，其中借鉴了多量子阱结构的等效折射率法，并提到了我们在接下来的分析中用到的转移矩阵，微扰等方法，并对金属介质表面的等离子波特性进行了初步的说明。为了说明多层介质金属周期性分布的波导结构的光学特性，在第四章中我们利用转移矩阵的方法推导了色散方程并精确求得了该结构各个模式的色散曲线；然后采用二阶微扰法推导出了该结构的损耗表达式，进行了数值计算和理论分析；同时，详细讨论了各个模式的场分布情况。结果表明该结构存在两种模式，即对称模和反对称模，并且模式总数正好为周期数的两倍，同时各个模式相互耦合，在金属层很薄的情况下有着较小的损耗，各个模式的场分布也表明了其物理意义。其中，我们分析了两种不同结构，即对称性周期分布和非对称周期分布。在第五章的应用分析中，我们根据集成光学中薄膜波导器件的主要发展方向，对改结构中的相关参数和特性进行了相应的分析和比较，提出了金属波导设计的建设性意见。其中包括利用其模式截至特性制作TM模式偏振器；同时，根据DFB结构的特性，我提出了在原有的周期性金属介质波导表面刻蚀DFB光栅的结构设计，并对该种设计进行了相应的理论分析和计算，得到了很好的多波长滤波特性，不仅是对原有结构的改进，同时也在应用前景上也有相应的拓展。