（光學(xué)專業(yè)論文）亞毫米尺度雙面金屬包覆波導(dǎo)的直接耦合方法及其應(yīng)用研究.pdf

亞毫米尺度雙面金屬包覆波導(dǎo)的直接耦合方法 及其應(yīng)用研究 摘要 自導(dǎo)波光學(xué)問世以來 由于它在未來信息社會巨大的應(yīng)用潛力 一直受到學(xué)術(shù)界和技術(shù)界的高度重視 經(jīng)過三十余年的發(fā)展 今天已 初步成為一門體系完整的學(xué)科 以導(dǎo)波光學(xué)為理論基礎(chǔ)的光纖技術(shù) 平面型光波導(dǎo)技術(shù) 集成光電回路及集成光路技術(shù)獲得了迅速的發(fā) 展 半導(dǎo)體激光器 電光波導(dǎo)調(diào)制器和多路光電開關(guān)等一大批實(shí)用化 光電元器件正在通信系統(tǒng)中越來越多地發(fā)揮著重要作用 本文在一般介質(zhì)平板波導(dǎo)的基礎(chǔ)上 分析了雙面金屬包覆波導(dǎo)的 特性 雙面金屬包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由導(dǎo)波層 上下金屬包覆層組成 上層 金屬比較薄 作為波導(dǎo)層覆蓋層 同時也作為耦合層 雙面金屬包覆 波導(dǎo)的導(dǎo)模有效折射率范圍比一般介質(zhì)波導(dǎo)大得多 沒有比覆蓋層折 射率大的限制 可以介于零和波導(dǎo)層折射率之間 根據(jù)亞毫米雙面金 屬包覆波導(dǎo)的性質(zhì) 提出了一種全新的自由空間直接耦合方法 與其 他的波導(dǎo)耦合技術(shù) 如棱鏡耦合 光柵耦合等相比 不僅結(jié)構(gòu)簡單 而且有一些優(yōu)良的特性 本文從理論上推導(dǎo) 實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了亞毫米尺 度雙面金屬包覆波導(dǎo)中的超高階導(dǎo)模具有偏振無關(guān)性 并對導(dǎo)波層的 折射率 厚度以及入射光波長非常靈敏的特性 為下一步的光電子器 件研究提供了理論基礎(chǔ) 光學(xué)濾波器是光學(xué)應(yīng)用的一個關(guān)鍵性器件 在激光光通信系統(tǒng)中 光學(xué)測量等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用 根據(jù)高階導(dǎo)模對入射波長敏感的特 性 本文提出了基于雙面金屬包覆波導(dǎo)的光學(xué)窄帶濾波器應(yīng)用 本文 介紹了基于亞毫米尺度雙面金屬包覆波導(dǎo)的窄帶濾波器的工作原理 并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 對器件的性能進(jìn)行了測試和分析 初步實(shí)驗(yàn)表明 濾波器的譜半寬達(dá)0 0 8 n m 中心波長可調(diào) 可調(diào)諧范圍大 并具有 偏振無關(guān)性 預(yù)計在波長鎖定 激光測試領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力 根據(jù)超高階導(dǎo)模對導(dǎo)波層折射率敏感的特性 本文提出了基于雙 面金屬包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的反射型電光調(diào)制器 該器件的結(jié)構(gòu)簡單 僅由 上下兩層金屬和導(dǎo)波層三部分組成 金屬層既可作為包覆層又可作為 電極 制備工藝非常簡單 加工要求也不高 因此成本相當(dāng)?shù)土?與 波導(dǎo)傳輸型電光調(diào)制器相比 本方法制作的反射型電光調(diào)制器的插入 損耗很小 由于器件基于準(zhǔn)直光反射原理工作 在無線光通信 大孔 徑激光調(diào)制方面將會得到應(yīng)用 和棱鏡耦合一樣 雙面金屬包覆波導(dǎo)直接耦合還可用于薄膜參數(shù) 測量領(lǐng)域 波導(dǎo)中導(dǎo)模的傳播常數(shù)與導(dǎo)波層的厚度以及折射率密切相 關(guān) 因此可以利用自由空間直接耦合技術(shù)測量波導(dǎo)中導(dǎo)模的傳播常 數(shù) 來同時求得導(dǎo)波層薄膜的折射率及厚度 由于雙面金屬包覆波導(dǎo) 的特殊性質(zhì) 還可以測量高折射率的材料 相比棱鏡耦合系統(tǒng)大大拓 寬了測量范圍 由于采用金屬作為包覆層 可以很方便的在導(dǎo)波層兩 側(cè)施加電壓 因此也可方便的測量材料的電光系數(shù)或者壓電系數(shù) 這 種方法會在有機(jī)材料 聚合物和光學(xué)波導(dǎo)器件等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用 價值 關(guān)鍵詞 光波導(dǎo) 雙面金屬包覆波導(dǎo) 自由空間耦合 濾波器 調(diào)制 器 薄膜測量 電光系數(shù) f r e es p a c ec o u p l i n go fs y m m e t r i c a l m e t a l c a l d d i n go p t i c a l a v e g u i d ew i t h s u b m i l l i m e t e rs c a l ea n di t sa p p l i c a t i o n s a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to nf i b e rc o m m u n i c a t i o n sa n di n t e g r a t e do p t i c a le l e c t r o n i c sh a s e x p a n d e dt h ei n t e r e s ta n di n c r e a s e de x p e c t a t i o n so l lg u i d e dw a v eo p t i c s ag r e a td e a lo fd e v i c e sf o r p r a c t i c a l u s eb a s e do nt h e o p t i c a lw a v e g u i d eh a v ep l a y e d a ni m p o r t a n tr o l ei n o p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m b ye m p l o y i n gt h et h e o r yo nd i e l e c t r i co p t i c a lw a v e g u i d e c h a r a c t e r i s t i c so ft h es y m m e t r i c a l m e t a l c l a d d i n go p t i c a lw a v e g u i d ew i t hs u b m i l l i m e t e rs c a l eh a v eb e e na n a l y z e di nt h i sp a p e nt h i s k i n do fw a v e g u i d ec o n s i s t so fag u i d i n gl a y e ro fs u b m i l l i m e t e ra n dt w om e t a lf i l m s t h eu p p e r m e t a lf i l mo f 4 0 n ma c t sa sac l a d d i n ga n dac o u p l i n gl a y e ra sw e l l t h eb a s em e t a lf i l mo f3 0 0 h m s e r v e sa sas u b s t r a t e d i f f e rf r o mt h ed i e l e c t r i co p t i c a lw a v e g u i d e t h ea l l o w e dr a n g eo ft h e e f f e c t i v ei n d e xo f t h i sw a v e g u i d ei so r i g i n a t e df r o mz e r ob u tn o tt h es u b s t r a t ei n d e x a c c o r d i n gt o t h i ss p e c i a lf e a t u r e an e wc o u p l i n gt e c h n i q u ew h i c hi sf r e ef r o mt h ec o u p l i n ge l e m e n t ss u c ha s p r i s m sa n dg r a t i n g s i tie x h i b i t e dm o r ef l e x i b l ea n de a s yt oc o n d u c t t h ef r e e s p a c ec o u p l i n g t e c h n i q u ea l s oo p e n sp o s s i b i l i t i e sf o rs t u d y i n gu l t r a h i g h o r d e rm o d e si nat h i c ko p t i c a lw a v e g u i d e i ti sd e m o n s t r a t e db o t ht h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l yt h a tt h eu l t r a h i g h o r d e rm o d e sa r e p o l a r i z a t i o ni n d e p e n d e n ta n ds e n s i t i v et ot h e r e f r a c t i v ei n d e xa n dt h et h i c k n e s so ft h eg u i d i n g l a y e ra n dt h ew a v e l e n g t ho f i n c i d e n tl i g h t o p t i c a l f i l t e r s p l a y a n i m p o r t a n t r o l ei nt h ef i e l d so fo p t o e l e c t r o n i c sa n d o p t i c a l t e l e c o m m u n i c a t i o n s s of a r v a r i o u sk i n d so ff i l t e r sh a v eb e e nd e v e l o p e d h o w e v e r m o s to ft h e m a r ep o l a r i z a t i o n d e p e n d e n t i no r d e rt oo b t a i nap o l a r i z a t i o n i n d e p e n d e n tf i l t e r c o m p l i c a t e d t e c h n i q u en e e d st oh ed e v i s e d i nt h i sp a p e r ap o l a r i z a t i o ni n s e n s h i v ea n dt u n a b l ef i l t e rw i t ha i i i s p e c t r a lb a n d w i d t ha sn a r r o wa s0 0 8 n mh a sb e e no b t a i n e de x p e r i m e n t a l l y w ea l s op r o p o s ean e wt y p eo fe l e c t r o o p t i cl i g h tm o d u l a t o rw i t hal i n b 0 3s l a bs a n d w i c h e d b e t w e e nt w og o l df i l m sw h i c hs e r v ea st h ec l a d d i n g so f t h el i n b 0 3g u i d ea n da p a i ro f e l e c t r o d e s o f t h em o d u l a t o ra sw e l l i ti se a s yt of a b r i c a t i o na n ds h o w sl o wc o s tp o t e n t i a l i na d d i t i o nt ot h ea p p l i c a t i o ni nt h eo p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s s m c o wc a l lb eu s e di nt h e m e a s u r e m e n to f t h i nf i l mp a r a m e t e r s a sw ek n o w n t h ep r o p a g a t i o nc o n s t a n t so f g u i d e dm o d e si n o p t i c a lw a v e g u i d ea r ec l o s e l yr e l a t e dt ot h er e f r a c t i v ei n d e xa n dt h i c k n e s so f t h eg u i d i n gl a y e r s o i ti s p o s s i b l et os i m u l t a n e o u s l ym e a s u r et h er e f r a c t i v ei n d e xa n dt h i c k n e s so ft h i nf i l mb y e m p l o y i n gt h ep r o p a g a t i o nc o n s t a n t sd e t e r m i n e dw i t ht h ef r e es p a c ec o u p l i n gt e c h n i q u e b e c a u s e o ff r e eo fp r i s mi nc o u p l i n g i ti sp o s s i b l et om e a s u r et h eh i g hr e f r a c t i v ei n d e xm a t e r i a l c o m p a r e d w i t hp r i s mc o u p l i n g t h i sm e t h o di sa l s oe f f e c t i v et ot h eb i r e f f i n g e n tm a t e r i a l s i n c et h eo p t i c a l w a v e g u i d ei sm e t a l c l a d d i n g i ti s c o n v e n i e n tt 0m e a s u r et h ee l e c t r o o p t i ca n dp i e z o e l e c t r i c c o e f f i c i e n t sb ya p p l y i n gv o l t a g eo v e rt h ew a v e g u i d e b e c a m eo f t h e s em e r i t s t h i st e c h n i q u ew i l l h a v eg r e a ta p p l i c a t i o nv a l u ei np a r a m e t e r sm e a s u r e m e n to fo r g a n i cm a t e r i a l p o l y m e ra n dt h e o p t i c a lw a v e g u i d e k e y w o r d o p t i c a lw a v e g u i d e s y m m e t r i c a lm e t a l c l a d d i n go p t i c a lw a v e g u i d e f r e e s p a c e c o u p l i n g o p t i c a ln o t c hf i l l e r e l e c t r o o p t i cm o d u l a t o r t h i nf i l m e l e c t r o o p t i cc o e f f i c i e n t 上海交通大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的學(xué)位論文 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下 獨(dú)立進(jìn)行研究 工作所取得的成果 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外 本論文不包含任何其他個人 或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果 對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集 體 均已在文中以明確方式標(biāo)明 本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān) 一躲吞彩 日砣彩年7 月瀘 上海交通大學(xué) 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 同意學(xué)校保 留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版 允許論文被查閱和借 閱 本人授權(quán)上海交通大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫 進(jìn)行檢索 可以采用影印 縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文 保密口 在一年解密后適用本授權(quán)書 本學(xué)位論文屬于 不保密口 請?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打 學(xué)位論文作者簽名 日期乙緲6 年7 月陟日 犋 珀 銣 名 年 鑒 f d 師 郵 撕 棚 影 期 第一章綜述 1 1 引言 第一章綜述 自導(dǎo)波光學(xué)問世以來 由于它在未來信息社會巨大的應(yīng)用潛力 一直受到 學(xué)術(shù)界和技術(shù)界的高度重視 經(jīng)過三十余年的發(fā)展 今天已初步成為一門體系完 整的學(xué)科 以導(dǎo)波光學(xué)為理論基礎(chǔ)的光纖技術(shù) 卜4 平面型光波導(dǎo)技術(shù)1 5 7 1 集成 光電回路及集成光路技術(shù)獲得了迅速的發(fā)展 叭 半導(dǎo)體薄膜激光器 l i 12 1 電光 波導(dǎo)調(diào)制器 1 3 1 5 1 和多路光電開關(guān) 1 6 1 8 1 等一大批實(shí)用化光電元器件正在通信系統(tǒng) 中越來越多地發(fā)揮著重要作用 導(dǎo)波光學(xué)器件的基本元件是光波導(dǎo) 在一些需要金屬電極的集成光學(xué)元器件 中 光仍以導(dǎo)波形式約束在無吸收的介質(zhì)中傳輸 會屬僅作為包覆層或外包覆層 出現(xiàn) 這類結(jié)構(gòu)稱為金屬包覆或金屬外包覆介質(zhì)波導(dǎo) 近年來 金屬包覆的介質(zhì) 光波導(dǎo)在集成光學(xué)領(lǐng)域中引起了人們較大的興趣 一個原因是許多集成光學(xué)元器 件的實(shí)際需要 如在某些電光器件中 需要把射頻場加到載有導(dǎo)波的介電介質(zhì)中 去 為此需要在介質(zhì)導(dǎo)波中沉積一層金屬膜或在會屬薄膜基底上淀積介質(zhì)波導(dǎo) 層 另外 如薄膜激光器和光波導(dǎo)探測器的電極 聲一光波導(dǎo)調(diào)制器等也需要會 屬膜層 此外 會屬薄層還可防止來自基板雜散光干擾并可幫助散熱 另一個原 因則是由會屬的光學(xué)性質(zhì)決定的 在低頻條件下 會屬可看作是理想的導(dǎo)體 在 紫外區(qū)域電子等離子體振蕩的響應(yīng) 使得會屬無法在光頻范圍內(nèi)仍然保持是良好 的導(dǎo)體 但仍可以制成低損耗的金屬波導(dǎo)和會屬包覆介質(zhì)波導(dǎo) 在可見光和近紅 外區(qū)域 對一般的貴會屬來說 如舍 銀 鋁等 其復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部相對其虛 部來說 往往是一個較大的負(fù)數(shù) 由于金屬獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì) 金屬電極的制備將 極大地改變介質(zhì)波導(dǎo)的色散性質(zhì) l 射 金屬和介質(zhì)的界面處可傳輸表面等離子波 使央于兩介質(zhì)中間的金屬薄膜可傳輸長程表面等離子波 這兩類表面波具有不同 于光導(dǎo)波的獨(dú)特性質(zhì) 2 0 例如 有效折射率的存在范圍大 同一階次的t e 模和 t m 模的有效折射率差較大 具有場的增強(qiáng)效應(yīng)等 對這些現(xiàn)象的深入研究豐富 了傳統(tǒng)導(dǎo)波光學(xué)的研究內(nèi)容 還使金屬介質(zhì)波導(dǎo)不僅在光波導(dǎo)器件機(jī)理的探索 如用金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo)制作偏振器 濾波器和調(diào)制器等 而且在非線性光學(xué)和 生物分子學(xué) 如生物傳感 等領(lǐng)域獲得日益廣泛的應(yīng)用 上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文 1 2 直接耦合方法 由于波導(dǎo)薄膜的折射率大于覆蓋層和襯底介質(zhì)的折射率 因而光導(dǎo)波是一種 慢波 這表明在襯底和覆蓋層介質(zhì)中的光波不可能直接耦合成為光導(dǎo)波 反過來 光導(dǎo)波也不可能成為襯底和覆蓋層介質(zhì)中的輻射波 按照波導(dǎo)的勢阱模型 波導(dǎo) 薄膜對應(yīng)于勢阱 而覆蓋層和襯底對應(yīng)于勢壘 這兩個向無限遠(yuǎn)伸展的勢壘保證 了光導(dǎo)波無損耗 不考慮介質(zhì)的吸收和散射 地傳輸 在集成光學(xué)中 需要把激光 束的能量轉(zhuǎn)換成介質(zhì)薄膜光波導(dǎo)或光纖中的導(dǎo)模的能量 或反之 把光波導(dǎo)中導(dǎo) 模的能量轉(zhuǎn)換成出射光束的能量 這些問題均涉及到光束的耦合 實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換 功能的器件即為光束耦合器 光束耦合器是也光波導(dǎo)器件實(shí)驗(yàn)中必不可少和非常 重要的觀測手段 目i j 常用的有棱鏡耦合 2 光柵耦合 2 2 端面耦合 2 3 1 和劈形 耦合 2 4 l 等方法 棱鏡耦合雖不利于集成化 但利用該方法可以測量波導(dǎo)的參數(shù) 這一方法至今仍在實(shí)驗(yàn)室中普遍使用 光柵耦合利于集成 但復(fù)雜的制備技術(shù)和 低的耦合效率阻礙了這種方法的廣泛使用 端面耦合和劈形耦合也各有其優(yōu)缺點(diǎn) 和適用的波導(dǎo)范圍 對稱金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo) 雙面金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo) 波導(dǎo)近年來已在電光波導(dǎo) 調(diào)制器和電光系數(shù)的測量等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用1 2 5 2 6 l 雙面金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo) 同其它波導(dǎo)一樣 也可利用棱鏡 光柵等耦合方法來激發(fā)導(dǎo)模 雙面會屬包覆介 質(zhì)波導(dǎo)具有一個特殊的性質(zhì) 其導(dǎo)模有效折射率存在范圍比任何全介質(zhì)波導(dǎo)和非 對稱會屬包覆介質(zhì)波導(dǎo)都大 且有可能小于光在空氣中的折射率 利用這個特點(diǎn) 本文首次提出了將光束直接射向波導(dǎo)表面 在入射光波矢與導(dǎo)模傳播常數(shù)匹配情 況下 實(shí)現(xiàn)光能與導(dǎo)模能量的耦合的直接耦合方法 27 1 在此基礎(chǔ)上 制備了會屬 一介質(zhì)波導(dǎo)一金屬結(jié)構(gòu)的雙面會屬包覆波導(dǎo) 并利用角度掃描的方法得到了衰減 全反射曲線 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論符合得很好 1 3 超高階導(dǎo)模 導(dǎo)波光學(xué)領(lǐng)域最基礎(chǔ)的元件是平面光波導(dǎo) 這類光波導(dǎo)限制光的厚度尺度 為波長營級 一般能夠容納幾個導(dǎo)模 波導(dǎo)導(dǎo)模數(shù)量隨著波導(dǎo)厚度的增加而增加 當(dāng)波導(dǎo)厚度大于幾十微米時 模密度很高 模趨于連續(xù) 利用棱鏡耦合或光柵耦 第一章綜述 合激發(fā)時 表征導(dǎo)模的m 線將發(fā)生重疊 從而無法實(shí)現(xiàn)器件的功能 雙面金屬包 覆波導(dǎo)層的厚度達(dá)到亞毫米量級時 這種波導(dǎo)可容納數(shù)千個導(dǎo)模 極大部分導(dǎo)模 處于高模密度區(qū)域 只有極少數(shù)超高階導(dǎo)模是分立的 很難采用棱鏡或光柵耦合 我們提出的自由空間耦合技術(shù) 可實(shí)現(xiàn)超高階模的激發(fā) 2 引 雙面金屬包覆波導(dǎo)的 高階模偏振不靈敏 對光源波長 波導(dǎo)厚度和折射率變化都十分靈敏 利用這些 特性可以制作窄帶濾波片 2 3 0 l 進(jìn)行厚度精確測量等等導(dǎo)波層的厚度等應(yīng)用 1 4 光學(xué)濾波器 自由空間光通訊 激光雷達(dá) 以及光學(xué)遙感系統(tǒng)等都需要在很強(qiáng)的背景光 下接收窄帶微弱信號 激光拉曼光譜儀 熒光測試 激光生物測試等需要在很強(qiáng) 的激發(fā)光下接收寬帶微弱信號 背景光的干擾給接收信號帶來很大的困難 消除 背景光的影響 改善系統(tǒng)的信噪比提高接收的靈敏度 降低信號光的功率要求顯 得十分重要 這些地方都需要用到濾波技術(shù) 濾波器光譜峰值和半寬度 f w h m 是兩個重要的指標(biāo) 由于雙面金屬包覆波導(dǎo)高階模的色散特性 基于雙面金屬包 覆波導(dǎo)的濾波器 這種濾波器半寬可以做的非常窄 而且調(diào)諧容易 具有廣泛的 用途 1 5 波長鎖定 在目前的光纖通信系統(tǒng)中 通過波分復(fù)用 w d m 或頻分復(fù)用 f d m 技術(shù) 使用一條光纖傳輸不同波長 頻率 的光信號 可以增加光信號傳輸?shù)娜萘?而要 達(dá)到大數(shù)量地傳輸不同頻率的光信號 就必須使用目前廣受囑目的密集波分復(fù)用 d w d m d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 技術(shù) 波分復(fù)用技術(shù)利用一 根光纖可以同時傳輸多個不同波長的光載波的特點(diǎn) 把光纖可能應(yīng)用的波長范圍 劃分為若干個波段 每個波段用作一個獨(dú)立的通道傳輸一種預(yù)定波長的光信號 這樣勢必造成每個波長的間距變窄 大大提高了通信容量的同時 也要求光源峰 值波長的間隔或信道間隔盡可能地小 對光源工作波長的穩(wěn)定性也提出了更高的 要求 例如當(dāng)信道間隔達(dá)到2 5 g h z 時 信號光源的波長精度要控制在0 0 2 n m 以 內(nèi)才能滿足要求 否則不同波長信道的波長漂移將會引起相鄰信道之間的串?dāng)_ 從而影響密集波分復(fù)用系統(tǒng)的性能 嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)癱瘓 在d w d m 系統(tǒng) 上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文 中 保持各信道光源波長的穩(wěn)定性是系統(tǒng)正常工作的i j 提 波長鎖定技術(shù)是此類 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一 3 1 也 影響半導(dǎo)體激光器發(fā)射波長的因素很多 如腔長 溫度 能隙 增益 載 流子濃度 折射率等 半導(dǎo)體激光器的波長調(diào)諧就是通過特殊的結(jié)構(gòu)柬改變上述 因素中的一種或幾種 從而改變半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長 實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的 波長穩(wěn)定基本原理是 激光束通過具有鑒頻特性的濾波器 被光電探測器接收 光電探側(cè)器的輸出信號用作頻率控制的誤差信號 根據(jù)誤差信號控制激光器的散 熱裝霄溫度 或誤差信號改變半導(dǎo)體激光器的電流源 使半導(dǎo)體激光器的注入電 流迅速得到調(diào)制 1 6 拉曼光譜 當(dāng)光照射到物質(zhì)上時會發(fā)生非彈性散射 散射光中除有與激發(fā)光波長相同的 彈性成分 瑞利散射 外 還有比激發(fā)光波長長的和短的成分 后一現(xiàn)象統(tǒng)稱為拉 曼效應(yīng) 由分子振動 固體中的光學(xué)聲子等元激發(fā)與激發(fā)光相互作用產(chǎn)生的非彈 性散射稱為拉曼散射 一般把瑞利散射和拉曼散射合起來所形成的光譜稱為拉曼 光譜 由于拉曼散射非常弱 所以一直到1 9 2 8 年才被印度物理學(xué)家拉曼等所發(fā) 現(xiàn) 3 3 拉曼散射現(xiàn)象自1 9 2 8 年由印度物理學(xué)家拉曼發(fā)現(xiàn)以來 由于拉曼光譜具有 信息豐富 拉曼位移與入射光頻率無關(guān) 分析效率高和樣品用量少等顯著的特點(diǎn) 越來越受到廣泛的關(guān)注 并且已經(jīng)應(yīng)用到眾多領(lǐng)域 例如 1 9 9 7 年美國軍事科 學(xué)研究所把拉曼光譜儀用于部隊(duì)飲用水污染監(jiān)測 我國也開始把拉曼光譜儀應(yīng)用 于海關(guān) 探測毒品走私 另外還可以用于大氣監(jiān)測 纖維復(fù)合材料的研究 文物 真?zhèn)蔚蔫b別 催化劑的研究 化妝品對皮膚影響的研究等 總之 拉曼光譜儀己 經(jīng)成為化學(xué)分析 表面化學(xué) 礦物學(xué) 半導(dǎo)體材料 考古學(xué)等眾多領(lǐng)域重要研究 手段 因此 人們一直致力于改善拉曼光譜儀的性能 不斷研究開發(fā)新型的拉曼 光譜儀 以滿足不同行業(yè)不同領(lǐng)域應(yīng)用的需求 無機(jī)物以及生物樣品的應(yīng)用分析 中拉曼光譜在有機(jī)物分析方面應(yīng)用廣泛 3 4 3 r l 第一章綜述 1 7 電光調(diào)制器 在光通信和光學(xué)信息處理領(lǐng)域中 經(jīng)常需要根據(jù)外界信號來對傳輸光進(jìn)行控 制 實(shí)現(xiàn)這一功能的器件稱為光調(diào)制器 1 3 器件工作時 由外界輸入電 聲 磁等信號 利用機(jī)械 聲光 磁光或電光效應(yīng)等 對光進(jìn)行位相 頻率 強(qiáng)度的 調(diào)制 或者偏振面旋轉(zhuǎn) 傳播方向偏折等參數(shù)的控制 使輸出光攜帶上所需信息 作為信息載波的光具有強(qiáng)度 頻率 位相 偏振 傳播方向等參數(shù) 利用電 聲等外部信號可改變上述任一參數(shù) 從而實(shí)現(xiàn)對光波的調(diào)制 根據(jù)被調(diào)制的載波 參數(shù)的不同 可分為振幅調(diào)制 強(qiáng)度調(diào)制 頻率調(diào)制 位相調(diào)制等 由于光探測 器的輸出信號一般與入射光的強(qiáng)度有關(guān) 且光波的頻率調(diào)制 位相調(diào)制等均可轉(zhuǎn) 換成強(qiáng)度調(diào)制 1 8 薄膜測量 薄膜技術(shù)是當(dāng)前材料科技的研究熱點(diǎn) 特別是納米級薄膜技術(shù)的迅速發(fā)展 精確測薄膜厚度及其折射率等光學(xué)參數(shù)受到人們的高度重視 無論是在實(shí)驗(yàn)室中 還是工業(yè)領(lǐng)域 薄膜厚度和折射率測量都是一項(xiàng)很關(guān)鍵的技術(shù) 由于薄膜和基底 材料的性質(zhì)和形態(tài)不同 如何選擇符合測量要求的測量方法和儀器 是一個值得 認(rèn)真考慮的問題 每一種測量方法和儀器都有各自的使用要求 測量范圍 精確 度 特點(diǎn)及局限性 橢圓偏振法 棱鏡耦合法和干涉法測量薄膜厚度及其折射率 的基本原理 儀器組成及特點(diǎn)1 3 8 4 3 1 雙面金屬包覆波導(dǎo)的薄膜參數(shù)測墾方法 與 這些方法相比也具有一定的優(yōu)勢 1 9 本文的研究內(nèi)容及創(chuàng)新之處 在本文中 我們提出并研究了一類新型光電子器件 基于雙面金屬包覆 波導(dǎo)的光電子器件 具體研究內(nèi)容包括濾波器 光調(diào)制器 傳感器和其它一些器 件的原理設(shè)計 性能優(yōu)化和功能性演示等 雖然離真正的實(shí)用化和商品化還有一 定的距離 但從器件基礎(chǔ)研究和實(shí)現(xiàn)方法探索的角度考慮 相信具有一定的現(xiàn)實(shí) 意義 上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文 本文的創(chuàng)新之處包括 一 本文根據(jù)雙面金屬包覆波導(dǎo)的導(dǎo)模有效折射率范圍比一般介質(zhì)波導(dǎo)大 得多 可以從零開始的特性 在一般介質(zhì)平板波導(dǎo)的耦合方法基礎(chǔ)上提出了一種 全新的波導(dǎo)耦合技術(shù) 自由空間直接耦合技術(shù) 與其他的波導(dǎo)耦合技術(shù) 如棱 鏡耦合 光柵耦合等相比 結(jié)構(gòu)上簡單的多 并有一些優(yōu)良的特性 二 本文研究了亞毫米尺度雙面金屬包覆波導(dǎo)中超高階導(dǎo)模的特性 其偏振 無關(guān)性 對導(dǎo)波層的折射率 厚度以及入射光波長非常靈敏等特性 為下一步的 光電子器件研究提供了理論基礎(chǔ) 三 本文提出了利用雙面金屬包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來制作光電子器件的思想 該結(jié) 構(gòu)以其特有的性能 為包括光調(diào)制器 濾波器在內(nèi)的一系列光電子器件功能的實(shí) 現(xiàn)提供了可能 并且由于器件具有反射型結(jié)構(gòu) 使插入損耗比傳統(tǒng)的波導(dǎo)傳輸型 器件大大降低 同時制備工藝相對也比較簡單 突破了波導(dǎo)傳輸型的結(jié)構(gòu) 為調(diào) 制器 濾波器等一系列光電子器件的研發(fā)開辟了一條新的技術(shù)路線 四 本文所提出的幾種光電子器件 其核心結(jié)構(gòu)均為雙面金屬包覆波導(dǎo)的結(jié) 構(gòu) 這種對稱會屬包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)自提出以來 并未獲得足夠的重視 這是因?yàn)槿?們普遍認(rèn)為金屬作為波導(dǎo)覆蓋層將對傳輸光能量產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收 導(dǎo)致波導(dǎo)的損 耗較大 不利于制作實(shí)用型器件 但我們的研究表明 在雙面金屬包覆波導(dǎo)中 金屬可作為控制電極 對波導(dǎo)層施加電場作用 同時若避免波導(dǎo)傳輸型結(jié)構(gòu) 采 用反射型結(jié)構(gòu)來控制導(dǎo)波光的能量耦合效率 將能夠很方便地對反射光的能量進(jìn) 行控制 并避免了能量的傳輸損耗 理論表明 隨著導(dǎo)波層厚度的增加 波導(dǎo)的 傳輸損耗也迅速下降 五 本文提出了利用雙面金屬包覆波導(dǎo)測量薄膜參數(shù)的裝置 波導(dǎo)中導(dǎo)模的 傳播常數(shù)與導(dǎo)波層的厚度以及折射率密切相關(guān) 因此可以利用自由空間耦合技術(shù) 測量波導(dǎo)中導(dǎo)模的傳播常數(shù) 柬求得導(dǎo)波層薄膜的折射率及厚度 由于雙面金屬 包覆波導(dǎo)的特殊性質(zhì) 可以測量高折射率的材料 相比棱鏡耦合系統(tǒng)大大拓寬了 測量范圍 同時 由于采用金屬作為包覆層 可以很方便的在導(dǎo)波層兩側(cè)施加電 壓 因此也可測量材料的電光系數(shù)或者壓電系數(shù) 本文內(nèi)容的組織安排如下 在第二章中 介紹了一般介質(zhì)平板波導(dǎo)及其分析方法 然后介紹了會屬薄膜 第一章綜述 的性質(zhì) 給出了雙面金屬包覆波導(dǎo)的概念 給出了波導(dǎo)的本征方程 并分析了其 損耗特性 這一部分是全文的理論基礎(chǔ) 在第三章中 首先介紹了一般波導(dǎo)的耦合方法 根據(jù)雙面金屬包覆波導(dǎo)的性 質(zhì) 提出了雙面金屬包覆波導(dǎo)自由空間耦合技術(shù) 分析了其可行性 在第四章中 首先介紹了雙面金屬包覆波導(dǎo)的模擬方法 金屬薄膜參數(shù)的測 量方法 并進(jìn)行了雙面金屬包覆波導(dǎo)直接耦合的實(shí)驗(yàn) 接著分析了雙面會屬包覆 波導(dǎo)的高階模的偏振不靈敏性 和對光源波長 波導(dǎo)厚度和折射率十分靈敏的特 性 在第五章中 根據(jù)雙面會屬包覆波導(dǎo)高階模的色散特性 提出基于雙面金屬 包覆波導(dǎo)的濾波器 這種濾波器半寬可以做的非常窄 而且調(diào)諧容易 具有廣泛 的用途 并對器件的性能進(jìn)行了討論 給出了濾波器的典型應(yīng)用 在第六章中 介紹了基于雙面會屬包覆波導(dǎo)的反射型電光調(diào)制器的工作原理 和實(shí)驗(yàn)結(jié)果 并對器件的性能進(jìn)行了討論 在第七章中 介紹了基于雙面金屬包覆波導(dǎo)的薄膜參數(shù)測量 包括薄膜層厚 度 介電系數(shù) 電光系數(shù)等波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù) 在第八章中 對全文作總結(jié)和展望 參考文獻(xiàn) 1 m l i n e s t h es e a r c hf o rv e r yl o w l o s sf i b e r o o p t i cm a t e r i a l s s c i e n c ev 0 1 2 2 6 p 6 6 3 1 9 8 4 2 j j r e f i o p t i c a lf i b e rf o ro p t i c a ln e t w o r k i n g b e l ll a b st e c h j v 0 1 4 p 2 4 6 1 9 9 9 3 1r j m e a r s l r e e k i e a n di m j a u n c e y e ta 1 l o w n o i s ee r b i u m d o p e df i b e r a m p l i f i e ro p e r a t i n g 砒1 5 4 j m e l e c t r o n l e t t v 0 1 2 3 p i 0 2 6 1 9 8 7 4 e d e s u r v i r e j r s i m p s o n a n dp c b e c k e l h i g h g a i ne r b i u m d o p e d t r a v e l i n g w a v ef i b e ra m p l i f i e r o p t l e t t v 0 1 1 2 p 8 8 8 1 9 8 7 5 h y u n s o ok i m e u n d e o ks i m e ta 1 m o n o l i t h i c a l l yi n t e g r a t e d t u n a b l e e x t e r n a l c a v i t yl a s e rd i o d eu s i n gi n p b a s e dp l a n a rw a v e g u i d ec o l l i m a t i n gl e n sa n d o p t i c a ld e f l e c t o a p p l p h y s l e t t 8 7 2 2 1 11 2 2 0 0 5 上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文 6 x u e j a nl u c h i o u h u n gj a n g d e c h a n ga n q i n g j u nz h o u l i ns u n x u p i n g z h a n g r a yt c h e n a n dd a nd a w s o n r p o l y m e r i cm u l t i m o d ew a v e g u i d eb a s e d e l e c t r o o p t i cm o d u l a t o rw i t hav e r t i c a l l yc o n f i g u r e dd u m p i n gp l a n a rw a v e g u i d e a p p l p h y s l e a 8i 7 9 5 2 0 0 2 7 m a l s h i k hk h a l i l gv i t r a n t p r a i m o n d p a c h o l l e t a n df k a j z a r o p t i c a l p a r a m e t r i ca m p l i f i c a t i o ni nc o m p o s i t ep o l y m e r i o ne x c h a n g e dp l a n a rw a v e g u i d e a p p l p h y s l e t t 7 7 3 7 13 2 0 0 0 8 l a na p p e l b a u m w e iy i k j r u s s e l l vn a r a y a n a m u r t i m p h a n s o n a n da c g o s s a r d v e r t i c a l l yi n t e g r a t e do p t i c sf o rb a l l i s t i ce l e c t r o ne m i s s i o nl u m i n e s c e n c e m i c r o s c o p y a p p l p h y s l e t t 8 6 0 6 311 0 2 0 0 5 9 1r u l r i c h f r e q u e n c y s e l e c t i v eb e a mc o u p l e rf o ri n t e g r a t e do p t i c s a p p l p h y s l e t t 2 4 2 i 1 9 7 4 1 0 a yc h oa n df k r e i n h a r t g r o w t ho f t h r e e d i m e n s i o n a ld i e l e c t r i cw a v e g u i d e s f o ri n t e g r a t e do p t i c sb ym o l e c u l a r b e a m e p i t a x ym e t h o d a p p l p h y s l e a 2 1 3 5 5 1 9 7 2 11 k a n e d m w i l l i s a p f r e q u e n c y n o i s e s p e c t r o s c o p yl i n e s h a p e m e a s u r e m e n t sa n ds i m u l a t i o n sf o ras e m i c o n d u c t o rl a s e rw i t h s t r o n go p t i c a l f e e d b a c k o p t i c sc o m m u n i c a t i o n sv o l u m e 1 6 6 i s s u e 1 6 a u g u s t1 1 9 9 9 p p 2 1 9 2 2 8 1 2 c h e n h f l i u j m s i m p s o n t b r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so f d i r e c tc u r r e n t m o d u l a t i o no nab a n d w i d t h e n h a n c e ds e m i c o n d u c t o rl a s e ru n d e rs t r o n gi n j e c t i o n l o c k i n g o p t i c sc o m m u n i c a t i o n sv o l u m e 1 7 3 i s s u e 1 6 j a n u a r y 2 0 0 0 p p 3 4 9 3 5 5 1 3 j a e w o o kk a n g j a n g j o ok i m a n de u n k y o t m g k i m a l l o p t i c a l m a c h z e h n d e rm o d u l a t o ru s i n gap h o t o c h r o m i cd y e d o p e dp o l y m e r a p p l p h y s l e t t 8 0 1 7 1 0 2 0 0 2 1 4 c t h i r s t r u p n o v e le l e c t r o o p t i c a lp h a s em o d u l a t o rb a s e do ng a l n a s l n p m o d u l a t i o n d o p e dq u a n t u m w e l ls t r u c t u r e s a p p l p h y s l e t t 6 1 2 6 4 1 1 9 9 2 1 5 1 r w w i c k m a n a l m o r e t t i k a s t a i r a n dt e b i r d e l e c t r i cf i e l d i n d u c e d o p t i c a lw a v e g u i d ei n t e n s i t ym o d u l a t o r su s i n gg a a s a l x g a l x a sq u a n t u mw e l l s a p p l p h y s l e t t 5 8 6 9 0 1 9 9 1 16 c i db d ea r a f i j o a s l g o m e s a n dr s r i v a s t a v a a l l o p t i c a ls w i t c h i n gi n r a r e e a r t hd o p e dc h a n n e lw a v e g u i d e a p p l p h y s l e t t 6 6 4 1 3 1 9 9 5 1 7 n m o l l r h a r b e r s r fm a h r t a n dg l b o n a i n t e g r a t e da l l o p t i c a ls w i t c hi n 8 第一章綜述 a c r o s s w a v e g u i d eg e o m e t r y a p p p h y s l e r 8 8 1 7 1 1 0 4 2 0 0 6 1 8 k y o s h i m u r a yy a m a d a a n dm o k a d a o p t i c a ls w i t c h i n go f m g r i c hm g n i a l l o yt h i nf i l m s a p p t p h y s l e t t 8 1 4 7 0 9 2 0 0 2 19 t o u i c h i r og o t o y o s h i t a d ak a t a g i r i h i r o s h if u k u d a h i r o y u k is h i n o j i m a y o s h i a k in a k a n o i k u t a r ok o b a y a s h i a n dy a s u y u k im i t s u o k a p r o p a g a t i o nl o s s m e a s u r e m e n tf o rs u r f a c ep l a s m o n p o l a r i t o nm o d e sa tm e t a lw a v e g u i d e so n s e m i c o n d u c t o rs u b s t r a t e s a p p l p h y s l e t t 8 4 8 5 2 2 0 0 4 2 0 e mg a r m i r ea n dh s t o l l p r o p a g a t i o nl o s si n m e t a l f i l m s u b s t r a t e so p t i c a l w a v e g u i d e s i e e ej q u a n t u me l e c t r o n v o lq e 一8 n o 1019 7 2p p7 6 3 7 6 5 2 l r u l r i c h t h e r o yo f p r i s m f i l mc o u p l e rb yp l a n e w a v ea n a l y s i s j o p t s o c a m m e r 1 9 7 0 6 0 1 0 1 3 3 7 1 3 4 9 2 2 t t a m i ra n ds t p e n g a n a l y s i sa n dd e s i g no f g r a t i n gc