亞毫米尺度雙面金屬包覆波導的特性和應(yīng)用研究.pdf

1、隨著知識經(jīng)濟的到來,人們迫切要求掌握盡可能多的信息量,因此對通信速率提出了更高的要求,光纖通信應(yīng)運而生.在90年代更是得到了跳越式的發(fā)展.雖然近幾年光纖通訊進入了階段性的低谷,但人們對它的熱情依然未減,各種新想法、新概念層出不窮.近期,自動交換光網(wǎng)絡(luò)和光纖到戶成為了研究熱點.這些新想法、新概念的實現(xiàn)都離不開各類光電子器件的支持. 當今的光電子器件百花齊放,有基于光纖的、有基于半導體的、有基于光波導的,它們各有優(yōu)缺點,適合于各種不

2、同的場合.目前為止,還沒有哪一種技術(shù)有足夠的優(yōu)勢來統(tǒng)一整個光電子器件領(lǐng)域.正是這種百家爭鳴的局面,促進著光通訊事業(yè)日新月異地發(fā)展.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的光電子器件.具體研究內(nèi)容包括光調(diào)制器、濾波器和其它一些器件的原理設(shè)計、性能優(yōu)化和功能演示等.雖然離真正的實用化和商品化還有一定的距離,但從器件基礎(chǔ)研究和實現(xiàn)方法探索的角度考慮,相信具有一定的現(xiàn)實意義. 首先,本文在一般介質(zhì)平板波導的

3、基礎(chǔ)上提出了一種全新的波導概念--雙面金屬包覆波導.這種波導結(jié)構(gòu)由導波層、上下金屬包覆層組成,上層金屬同時作為耦合層.根據(jù)雙面金屬包覆波導的導模有效折射率范圍比一般介質(zhì)波導大得多,可以從零開始的特性,發(fā)展了一種新的波導耦合技術(shù)--自由空間耦合技術(shù).與其他的波導耦合技術(shù),如棱鏡耦合、光柵耦合等相比,結(jié)構(gòu)簡單,并有一些優(yōu)良的特性.我們從理論上推導、實驗上驗證了亞毫米尺度雙面金屬波導中的超高階導模具有偏振無關(guān)性,并對導波層的折射率、厚度以及入

4、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). 人們普遍認為金屬作為波導覆蓋層將對傳輸光能量產(chǎn)生強烈的吸收,導致波導的損耗較大,不利于制作實用型器件.但我們的研究表明,在雙面金屬包覆波導中,金屬可作為控制電極對波導層施加電場作用.同時若避免波導傳輸型結(jié)構(gòu),采用反射型結(jié)構(gòu)來控制導波光的能量耦合效率,將能夠很方便地對反射光的能量進行控制,并避免了能量的傳輸損耗.理論表明,隨著導波層厚度的增加,波導的傳輸損耗也迅速下

5、降. 根據(jù)超高階導模對導波層折射率敏感的特性,我們提出了基于雙面金屬波導結(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?shù)土?與波導傳輸型電光調(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,因為光強不需要經(jīng)過傳輸,避免了傳輸損耗.在調(diào)制過程中發(fā)生全反射,入射能量幾乎能全部被反射,相對于波導傳輸型調(diào)制器5～12dB

6、的插入損耗有了很大的改善.由于器件基于反射原理工作,工作區(qū)域局限于電極的大小,因而獨立器件的尺寸可以很小.同時也可以在一塊晶體上集成很多個調(diào)制器,每一個調(diào)制器都具有自己獨立的電極和驅(qū)動信號源,以實現(xiàn)集成陣列式結(jié)構(gòu).雙面金屬波導結(jié)構(gòu)的電光調(diào)制器離實用化、商品化最大的障礙在于其調(diào)制深度還不夠,目前我們用LiNbO<,3>晶體作為導波層達到12V、13.3﹪的調(diào)制度.但隨著高電光系數(shù)晶體或薄膜材料的發(fā)展,器件的實用化已經(jīng)提上日程.預(yù)計,該器件

7、會在接入網(wǎng)、無線光通信、大孔徑激光調(diào)制方面得到應(yīng)用. 另外,根據(jù)高階導模對入射波長敏感的特性,我們提出了基于雙面金屬包覆波導的光學濾波器應(yīng)用.光學濾波器是光網(wǎng)絡(luò)的一個關(guān)鍵性器件之一,它在整個光通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用,無論是在發(fā)射端、接收端,還是傳輸過程中.本文詳細介紹了基于亞毫米尺度雙面金屬波導的梳狀濾波器的工作原理,并進行了實驗驗證,對器件的性能進行了測試和分析.該梳狀濾波器的通道間隔達到100GHz,理論上可達到50GH

8、z,符合ITU標準;通道隔離度大于12dB;最小插入損耗小于0.2dB;中心波長、通道間隔可調(diào)諧范圍大;并且具有偏振無關(guān)性.該器件主要應(yīng)用于多波長激光器系統(tǒng)中.此外,雙面金屬包覆波導還可應(yīng)用于窄帶濾波器的研究. 除了在光電子器件中的應(yīng)用外,雙面金屬包覆波導還可用于薄膜參數(shù)測量領(lǐng)域.波導中導模的傳播常數(shù)與導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)測量波導中導模的傳播常數(shù),來同時求得導波層薄膜的折射率及厚度.由于雙